纳米技术的核心范例(12篇)

纳米技术的核心范文篇1

1．1森林资源的合理利用

林业加工业现代化改革进程中，木材加工是林业产品生产最关键的环节，对产品质量有着最直接的影响。在利用森林资源进行加工的过程中需要严格遵守相关规范和原则，不能竭泽而渔，需要通过科学合理的使用方法，提高木材加工效果，减少废料。但是我国在较长的历史时期内都追求粗放式的经济发展模式，木材加工业也深受影响，经济发展是以牺牲森林面积和过渡砍伐的基础上发展起来的，森林资源短缺的问题一直没有得到妥善解决，对既有木材资源的利用效率也不理想，产品加工过程中无法有效保障林业产品生产质量和效率。我国充分认识到这种情况，颁布了相关法律强制约束木材加工业的生产加工方式，提高森林资源的综合利用水平，对加工精细度等问题作出了明确的规定，通过法律手段控制产品质量。木材加工过程中，需要不断完善加工市场的运营模式，通过对市场运行模式的改善优化，形成良性竞争，进一步提升木材加工质量，同时还能够提高市场活跃度，实现木材加工市场的健康发展，满足林业发展建设实际要求。可通过对国外市场经济体制下的木材加工产业发展经验的借鉴，根据林区自身特色选择适用的市场形势，实现木材加工相关内容的综合管理，提高木材的利用效率和木材加工业的综合效益。同时在木材加工的市场化进程中，可以对传统的木材加工工艺进行更好的传承和发展改进，建设有中国特色的木材加工行业。

1．2选用木材利用率更高的加工技术

1．2．1高速切削。高速切削是当前的木材加工业中应用十分广泛的技术，通过更高转速的刀具、砂轮来进一步改善其木材加工效果，提高了木材的加工效率，在更短的时间内就能够完成木材的加工。这是同一种比较优秀木材加工技术，但是该项技术对刀具的要求更加严苛，一旦刀具存在质量问题，或者刀具安装经济不符合要求，会产生比较严重的木材加工质量问题。所以在采取高速切削技术进行木材加工时需要严格要求刀片和导体之间的灵活性和刀具对木材的适应性，刀体的经济性也需要认真考虑。而且在高速切削技术应用过程中需要重视刀具自身的动力平衡，避免出现安全问题。在高速切削加工实际中，选择合理的加工处理方案是保证其加工质量和安全性的必要措施，不能掉以轻心。

1．2．2纳米改性加工技术。纳米改性加工技术充分利用了纳米加工技术来优化木材原料的基本性能，通过微波处理和压力浸渍等技术提高木材的渗透性，之后使用前驱溶液进入原木结构中，通过原位反应生成纳米材料，这种木材和纳米复合材料能够明显改良木材的各项性能，而且不同材料纳米体给木材性能带来的改变也是不同的。氧化钛纳米体能够明显提高材料硬度；氧化硅纳米体则能够提高木材保温性能；银和铜等金属氧化物纳米体则有着很强的光谱杀菌能力。

1．2．3超声波切割／在线检测。超声波切割技术使用工具端面超声振动，在磨料机械膨胀作用以及磨抛和产生空化作用下加工木材的一种技术，超声切割技术对木材硬度有要求，但是对加工位置形状的适应性较强，有着很高的操作精度额加工效率。在线检测技术使用的带锯上有自控和声控系统，配备激光标准系统数据库检测技术，能够完成木材的信息化、自动化加工。

1．3提高认识，自觉遵守行业规范原则

木材加工的目的是利用，利用木材需要遵循合理的原则，加工过程需要遵循量木进锯、综合经营、量质利用的原则，特别在木材加工资金和加工原料成本高，来源不稳时更需要大力推广木材的综合利用。加工企业和政府部门都需要提高认识，认识到林区治危兴林战略是实现林业可持续发展的必然需求，让加工企业能够在政府允许的范围内自觉调整木材加工和木材综合利用产业结构。企业能够根据自身资源情况，发展精致的小型木制品，摆脱历史性的加工方式，活跃林区木制产品原料加工市场。应该把新型木材的综合利用作为主要发展目标，按照市场需要，有计划、规范化的生产农业、工业、文化设施需用的木制产品原料，满足社会需求的同时作为林区的经济来源之一。

2木材加工的技术管理

纳米技术的核心范文篇2

1.1循环经济的内涵循环经济是经济活动的行为准则之一，以降低消耗、减少排放（reduce），重复使用（reuse），循环利用（recycle），可再生（renewable），可替代（replace），恢复和重建（recovery）（称为“6R”原则）为宗旨，每一原则对实施循环经济的发展都是不可少的。传统的经济增长方式是“资源—产品—废物排放”的开放模式，而区别于传统经济，循环经济是一种新的经济形态，倡导的是“资源—产品—再生资源”的封闭式模式。循环经济不仅要关心经济的发展，还要关心子孙后代的生存，要求经济发展不仅要考虑经济总量的提高，还要考虑生态承载能力，把经济效益、社会效益和环境效益统一起来[1]。我们要选择以无形的、边际效益递增的知识资源为主的、减少物质资源消耗和生态经济的发展模式，走以生态农业、生态工业和环保产业为主导的经济可持续发展道路，从而改变过去的“先污染，后治理”的以资源高消耗、高排放、高污染的传统的资源型经济发展模式。

1.2循环经济的意义循环经济是实现全面建设小康社会目标，加快转变经济增长方式，全面落实可持续发展的科学发展观的必然选择，虽然任务艰巨，但意义重大。那么，在增加人造财富的同时，要想最大限度地减少对自然生态环境的损害，并且逐渐恢复和修复自然生态环境，就必须转变经济发展模式，按照循环经济模式这种新的技术经济范式的要求最大限度地实现物质循环利用、循环利用各种废弃物，并相应地进行新的产业布局、构建产业链、进行产品设计、寻求无废生产。随着人均消费水平的不断提高和人口日益增多，人类可持续生存和社会可持续发展的唯一模式是循环经济模式。只有当循环经济模式这种模式成为全人类所共同遵循的模式时，人类社会才可能真正走向可持续发展道路。所以我国应以提高资源产出效率为目标，按照减量化、再利用、资源化的原则加快构建覆盖全社会的资源循环利用体系，推进生产、流通、消费各环节循环经济发展，并以达到物质无限循环利用，废弃物零排放为最高境界和目标[2]。循环经济在给全球带来全新的环境效益的同时，也给人们带来了巨大的经济效益，是经济利益和环境利益兼而有之的“双赢”经济，是21世纪解决环境问题的最佳选择[3]。

2利用纳米生物制药技术发展循环经济

2.1纳米生物制药技术“纳米生物制药技术”是纳米技术在生物制药领域的创新应用。“纳米生物制药”是一门结合“纳米科学”与“生物制药”的重大高新技术领域。纳米制造技术是21世纪的关键技术之一，是近期国内外研究的热点领域，中国已经在这个领域已取得众多科技成果。多数科技强国都将纳米科技领域作为战略制高点和科技优先发展领域。国家科委的“攀登计划”和科技部的“973”计划、“863”计划、星火计划、火炬计划等，都给予纳米科技以人力、资金支持。“纳米生物制药”技术的发展是中国新的中长期战略计划的科学和技术发展纲（2006～2022）专门针对的关键领域。中国已经成功吸引了很多国外的制药公司建立先进的药物研发业务，并且这些企业在从事“纳米生物制药”技术的研发上已经取得了较好的成果。纳米生物制药药物与传统分子药物相比的最大优点在于，纳米生物制药药物的链接或载带的功能基团活性中心多，可以实现治疗与疗效跟踪同步化；材料具有的多孔、中空、多层等性能优越的结构特性，利用纳米颗粒的小尺寸效应容易进入细胞，易于药物缓释控制，便于生物降解或吸收而实现高疗效。因此，在保证药效的前提下，由于药物用量减少，比较容易实现低毒性，减轻药物的毒副作用。理想的纳米生物制药药物载体具有合适的粒径与形状和适宜的制备及提纯方法，可生物降解；具有较高的载药量；具有较高的包封率；具有较长的体内循环时间毒性较低或没有毒性[4]。纳米生物制药技术一门跨学科的新型技术，被认为是本世纪国家之间竞相技术竞争的战略制高点。

2.2利用纳米生物制药技术发展循环经济的意义科学技术是第一生产力，循环经济的发展尤其要依靠科技。循环经济是一种技术范式的革命，替代技术、减量技术、再利用技术、资源化技术、系统化技术构成循环经济的支撑技术体系。中国科学技术发展战略研究院研究员赵刚表示，我国生物制药产业资源型、污染型和粗放型的特点仍然存在；具有高附加值和环保优势的制剂产品在出口上还有较大差距；具有优秀基础的生物制药产品仍未形成国际核心竞争力；多国贸易保护措施升级的势头之下，中国生物制药产业的国际化进程依旧缓慢，这些都是医药工业“十二五”期间需要解决的重要课题。我国生物制药产业以前走的是高投入、高消耗、低产出的发展模式。今后要充分利用纳米生物制药技术等科技力量，重点组织开发有重大推广意义的节约资源的纳米生物制药产品。充分利用纳米生物制药技术替代有毒有害原材料或产品。充分利用纳米生物制药技术减少环境污染，逐步实现“三废”零排放，有效回收利用材料和逐步完善回收处理技术，突破循环经济发展的技术瓶颈。利用纳米生物制药技术走循环经济之路是一项庞大的系统工程，并且利用我国纳米生物制药技术研究的不断深入，从而产生大量的创新性知识，并促进微电子技术、新材料新能源技术、纳米技术、生物制药技术等相关产业的迅速发展，进而带动相关产业的升级换代，改变过去那种高耗低效的工业经济模式，谋求新的循环经济之路。这样，利用纳米生物制药技术走循环经济之路将在全社会产生“牵一发而动全身”的效应。纳米生物制药产业作为新经济的一部分，特别是知识经济的一部分，是一门全新的学科，是区别于先前那种高耗低效的工业经济，面对稀缺的自然资源而谋求新的发展生机的一种新型经济模式。西方发达国家的产业结构和发展中国家的经济结构都会因为纳米生物制药产业的兴起而改变。循环经济对发达国家来讲，是工业经济发展的必然趋势；循环经济的出现对发展中国家来说是挑战，同时也是发展和机遇。面对这种挑战和机遇，一个拥有大量高素质人力资源和持续创新能力的发展中国家国家将具备发展知识经济的巨大潜力，完全有可能乘势而上，赶超发达国家。为支持引导战略性新兴产业发展，各相关部门都异常关注战略性新兴产业，已经将其作为调整结构实现转型发展的突破口和重要力量，推动循环经济的发展，形成新的增长点。中国国家发改委牵头编写的《战略性新兴产业“十二五”发展规划》即将出台。发展战略性新兴产业，并不是全都“另起炉灶”，实质上我国工业转型升级与培育发展战略性新兴产业有极深的内在联系。据悉，近日国务院正式的《工业转型升级规划（2011～2015年）》，已经将培育发展战略性新兴产业融合到传统产业转型升级之中。新材料、智能装备受政策照顾。因此，纳米生物制药技术，作为一个能产生大量的自主创新知识，并能带动微电子技术、新材料新能源技术、纳米技术、生物制药技术等相关产业迅速发展的重大高新技术，必将成为从而推动循环经济迅速发展的国家战略性新兴产业技术。目前美国、日本等国都明确将纳米生物制药技术作为其纳米科学技术重点发展的战略方向，其他国家必然在这一领域也会展开激烈的科技竞争。纳米生物制药技术的发展是中国新的中长期战略计划的科学和技术发展纲要（2006～2022）专门针对的关键领域。因此，采用科学的方法分析纳米生物制药相关技术发展状况，分析各国在纳米生物制药研究上的实力，明确我国纳米生物制药技术在国际上的地位并对发展趋势作预测，从宏观层面可以对纳米生物制药发展战略研究、纳米生物制药科研项目规划、纳米生物制药的产业化策略研究提供依据，从微观层面可以为其科学研究项目的具体实施路线及企业发展策略提供指导下面研究各国在纳米生物制药研究上的实力分布情况并对发展趋势作预测。

3纳米生物制药技术现状及其发展趋势

3.1收集数据的方法专利是反映技术创新最为标准详实的载体，能催生和保护技术。因此从专利的角度出发了解和把握全球纳米生物制药领域的发展趋势，为我国的战略研究和科学决策提供支持，具有非常重要的作用和意义。为此，虽然存在一些缺陷，我们利用专利作为知识产权情况的代表对创新绩效进行调查、对比、分析、预测。我们用勒努瓦和赫伦（Lenoir&Herron）[5]的搜索策略勒努瓦检查了各种各样的搜寻策略，提供一种搜索办法这种方法使用了32个与生物和制药相关的包括标题，摘要关键词的关键词PLUS?的检索词去鉴定中国纳米技术方面的文献，来找到一个高精度的纳米生物制药文献的查询办法。专利数据来源于“DerwentInnovationsIndex”数据库检索时间为2012年2月6日。时间为1992～2011年2年时间段。

3.2纳米生物制药技术发展趋势美国、日本、中国在纳米生物制药领域的专利授权总数目前最多，我们选择这三个国家进行分析、预测。纳米生物制药领域的专利授权的数量，是专利信息的重要内容之一，它是科学技术知识积累的反映，它的多寡反映了发明创造活动的活跃程度，所以其数量可以直接或间接地反映出该国科学技术以及相关事物的现状与前景，说明了该技术受到重视的程度，该国对世界市场吸引力程度。为了更加全面地探索和预测三个纳米生物制药论文生产巨头的纳米生物制药论文生产的发展趋势，收集到的数据进行以下处理。我们用Loglet（theonlineLogletlacurvefittingsystem）①曲线拟合系统对收集到的数据进行罗吉斯蒂曲线（Logisticcurve）[6]拟合，俗称“S曲线”。输入的数据是这个国家的纳米生物制药技术专利每年相应的专利数。Loglet实验系统随后将进行曲线拟合和自动产生一个S曲线。然而，在分析之前，我们将先介绍在本研究中使用的S曲线模型。本研究利用的S曲线模型是根据Loglet实验室模型。Loglet实验模型的S曲线方程如下：（1）其中，Yt和t分别代表S曲线的因变量和时间变量，α和β是模型的参数。S曲线有两个重要特征：一是函数随着时间t的增加直至无穷大而趋于常数，常数是函数的饱和值；二是增长曲线具有一个拐点，Loglet实验曲线模型的拐点可以对方程（1）应用公式求得。我们可以证明，方程（1）的拐点是：其中，Yinf和Tinf分别是在拐点时的专利数量和时间。在拐点之前，函数值的增长速度越来越快；在拐点之后，函数值的增长速度越来越慢，逐渐趋于零。罗吉斯蒂曲线如图1～图3所示，一般分为三个阶段，刚开始是发展较慢的初级阶段，接着是急剧增长的中期阶段，最后是增长速度变慢直至饱和的平稳的后期阶段。本研究想要探索纳米生物制药论文发展趋势，并预测这一发展趋势。我们把纳米生物制药技术专利数量从10%开始达到极限值的90%所需要的时间定义为该国纳米生物制药技术成长所需要的中期阶段。根据图1，美国的纳米生物制药领域的专利授权数在2002年达到拐点后继续增长7.9年，并会达到饱和状态。达到饱和状态后，美国将每年授权大约1506个专利。比较图1～图3不同的极限值，可以显示日本将在该领域达到饱和状态后专利授权数比美国和中国少得多。中国在纳米生物制药领域的专利授权数上虽然起步比美国和日本慢得多，但发展很快。这主要是中国中长期战略计划的科学和技术发展纲要（2006～2022）等大量的相应政策的支持。

纳米技术的核心范文

2001年，跨入新世纪的第一年，赵宇亮怀着科学强国的中国梦想，告别近10年的国外生活，回到了中国科学院。他在国外从事原子核裂变（核放射化学）的研究，回国之际，他决定转向从事纳米科学的研究。从原子核裂变转入纳米毒理学，这是多大的学科跨度！

就在2001年年底，刚刚回国的赵宇亮在国际学术界关注该问题之前，前瞻性地提出了纳米材料的生物学效应与安全性研究的问题，并在中科院高能物理研究所创建我国第一个“纳米生物效应与安全性”实验室和研究团队，使中国成为世界上最早开展该领域研究的国家之一。并为阐明纳米尺度下物质的毒理学性质、其化学与分子机制、探索其安全应用途径以及创立该新兴领域的知识体系做出了创造性贡献。成为纳米安全性领域国际上为数不多的几位世界著名专家之一。

2012年，他和团队潜心十年的“人造纳米材料安全性研究”成果，获得国家自然科学奖二等奖；去年，在中国科协和民政部批准成立的中国毒理学会“纳米毒理学专业委员会”成立大会上，他被推选为主任委员；2012年，他们的研究成果，连续第8年入选世界“药理学+毒理学+药剂学”三大领域联合遴选的Top25最热点论文；2012年，他被美国“纳米医学（Nanomedicine）”SCI刊物增选为副主编，成为来自中国的第一位编委；2012年，总部设在瑞士的“国际纳米医学会InternationalSocietyforNanomedicine”从中国、日本、韩国各选举一位代表所在国家的理事。他作为中国代表被选入“国际纳米医学会”理事会。由于研究工作的国际影响，2005年以来，他曾8次担任国际会议主席；4次担任香山科学会议主席。他先后被邀担任联合国UNEP、世界经济合作组织OECD，欧盟EU、法国、加拿大、芬兰等“纳米安全专家组”专家，为推动该新兴分支学科的发展做出了重要贡献。

他作为中科院百人计划“引进国外杰出人才”，赵宇亮的成功让他成为学成归来、回国创业奋斗的学者的典型代表。

实至名归，2013年，一年一度的“科学中国人年度人物”颁奖盛典于6月22日在北京隆重举行。国家纳米科学中心副主任、中国科学院高能物理研究所研究员赵宇亮稳健地走上领奖台，领取了属于他的奖杯。

学成归国开辟纳米安全研究新领域

1981年，赵宇亮进入四川大学化学系，开始放射化学专业的学习。1985年大学毕业后，他进入中国核动力研究院放射化学研究室，从事核燃料的放射化学分离与同位素质谱分析的研究工作。1989年，他远赴日本原子力研究所从事放射性同位素的医用应用研究工作，并在日本东京都立大学化学系放射化学专业先后获得硕士、博士学位，担任日本学术振兴会博士后，先后在日本原子力研究所从事原子核裂变化学以及超重元素化学的研究，在日本理化学研究所从事超重元素的合成研究工作。

2001年，在海外奋斗了十年的赵宇亮，在中科院“百人计划”的召唤下回国了。回国后，赵宇亮没有辜负中科院的期望，创建了我国第一个“纳米生物效应与安全性”实验室。将同位素标记技术、同步辐射技术和放射化学与纳米材料的生物效应与安全性研究结合起来，开创了纳米毒理学领域在我国的起步、形成和发展，同时使中国在该领域成为最具影响力的国家之一。

为什么赵宇亮要在中国开辟纳米安全性领域的研究？对此，赵宇亮说，目前中国纳米科技的研究已经进入世界先进行列，但是世界各国高度重视的纳米安全问题，很可能成为发达国家制约我国发展纳米科技应用领域的关键因素。

国际上认为，纳米技术的大规模应用面临两大主要瓶颈：一是纳米尺度上的可控加工与大规模生产技术的建立，二是纳米安全性知识体系与评价方法的建立。所以，“NoData，NoMarket（没有安全数据，就没有市场）”已经成为发达国家的安全方针，体现了建立纳米安全性知识体系的重要性和迫切性。

为了保障科技和市场的优先权，“科技要领先，产品要安全”已成为发达国家与发展中国家的国际竞争战略和策略。因此，纳米材料的生物效应与安全性是纳米科学中既具有基础科学意义，又事关纳米科技应用前景的关键问题，是纳米技术健康、可持续发展的核心。

赵宇亮所言非虚，据悉，北京海关统计数据表明，被退回的标注“纳米”的中国出口产品，五年超过百亿元，原因就是因为缺乏与安全性相关的检测指标与检测数据。另一方面，从实验室承担的一系列国家重大科研项目，便可看出国家对这一领域研究的重视程度：2001年科技部“973”预研项目“f电子系金属富勒烯类新物质的结构及其生物效应研究”；2004年国家自然科学基金重大项目的课题“碳纳米材料的细胞和分子毒理的研究”；2005年国家杰出青年基金，核科学和其他学科的交叉（研究纳米尺寸对纳米生物效应的影响）；2006年科技部“973”项目“人造纳米材料的生物安全性研究及解决方案探索；2011年科技部“973”项目“重要纳米材料的生物效应机制与安全性评价研究”。

而赵宇亮作为实验室的核心，是上述项目的负责人或首席科学家，把握着研究领域发展与学科建设的走向。十几年来，在推动这一新兴领域的发展中，赵宇亮从提出研究思想到技术路线、从实验平台建设到学科发展、从年青学生培养到骨干团队建设，从国内学术界到国际学术界，每一步都走得扎实、沉稳，他实现的一项又一项创新串联起了学科发展的路程。

2001年，当赵宇亮提出纳米材料的生物学效应与安全性研究问题时，国际学术界还没有关注到这一研究。也正因为如此，中国成为世界上最早开展该领域研究的国家之一。

针对这个崭新的领域，赵宇亮提出了纳米生物效应与安全性研究的学术概念和技术路线，从科学思想的提出到研究方法的突破，开辟了创新的科研思路；针对我国大规模生产的碳纳米材料、金属及金属氧化物等十多种/类典型纳米材料，他开展了毒理学性质及其健康效应的系统研究、建立了系统的分析方法，为阐明纳米尺度下物质的毒理学性质、其化学与分子机制，探索其安全应用途径以及创立该新兴知识体系做出了创造性贡献。

回国以来，他和他的团队的研究成果，先后在NatureNanotechnology，PNAS，JACS，AngewChem，NanoLetters，Adv.Mater.等重要国际刊物发表SCI论文237篇。2006年获中科院―德国拜耳奖，2008年获北京市科技进步奖二等奖，2012年获国家自然科学奖二等奖。

为了突破了生物样品中纳米颗粒定量检测与分析的瓶颈，他利用放射分析方法的高灵敏和绝对定量的特性，建立了纳米安全性分析和检测的创新分析方法，部分方法被国际标准化组织ISO和国际电气协会组织IEC审定颁布为国际标准，不仅填补了国际空白，而且成为100多个国家认可和使用的标准分析方法。成为中国制定的第一个（迄今唯一）纳米技术国际标准。

2005年以来，他的研究成果连续8年入选“毒理学+药理学+药剂学”领域的世界Top25篇热点论文；由于研究工作的前瞻性所产生的国际影响力，2001年以来，他应邀在著名学术机构与大型国际会议作特邀学术报告140余次。

他被联合国UNEP、世界经济合作组织OECD，欧盟，加拿大、芬兰等聘为纳米安全方面的顾问或专家，成为纳米安全领域为数不多的几位国际知名专家之一。曾8次担任国际会议主席；4次担任香山科学会议主席，为推动该分支学科领域的发展做出了贡献。

2005年，他组织全球11个国家的科学家，编著该领域世界上第一本专著《Nanotoxicology》，2007年在美国出版。如今，他已编著出版9部《纳米安全性》系列中文著作，为建立该新兴分支学科的知识体系做出了重要贡献。

在国内，由于评价体制的原因，中文著作不太被重视，这使得大部分学者对撰写中文著作积极性不高。赵宇亮对此回答说：我国大部分的高质量基础研究成果，都是用英语发表在发达国家的学术刊物上。作为基础研究，把高质量研究成果发表在世界一流水平的国际学术刊物，是应该倡导的。但是，我国的重大基础研究经费，大部分来自国家的支持。因此，我们也应该用中文为国内留下一批具有系统性的知识财富。尤其是便于那些国际化程度还不很高（很少阅读国外的英文学术刊物）的大量的中国企业尽早使用，才能在国际经济竞争中占据先机。为此，赵宇亮制定了一个五年计划，组织全国十六个研究机构和高校的一线学者，在完成国家973项目研究的同时，不断收集和整理国内外已经发表的有关纳米安全性的资料和数据，编著了这套9本《纳米安全性》系列著作。供国内的相关企业、与纳米材料、纳米药物、以及健康安全相关领域的科研人员、研究生、本科生、政府的行业管理人员、纳米医药销售及使用人员、以及政府药品监督管理部门等使用。

2012年，在他的努力下，经过中国科协批准中国毒理学会纳米毒理学专业委员会建立，纳米毒理学这个新兴分支学科也终于在我国完成了起步、发展与形成的过程。

梦想并未止步。如今，赵宇亮已经规划好了未来5～10年自己的研究重点。“纳米产品需要公众接受和市场，有市场才有社会效益和国家的经济利益。未来10年，欧盟和美国重点推动纳米科技产业化和纳米科技普及化，因此，市场纳米产品的安全性研究将成为重点。为了适应和满足国家需求，进行了研究方向和研究内容调整，从对单纯成分的纳米材料毒理学效应的研究，发展到现在重视市场复杂成分的纳米产品研究。”

他说，接下来他和团队要重点探索工作场所和消费产品中相关纳米材料的释放，职业暴露以及与呼吸、心血管和胃肠道系统的相互作用；阐述相关重要纳米材料的生物效应与安全性的分子机制，尤其是揭示其在纳米尺度上的化学机制和生物学机制；建立纳米材料安全性评价方法与评估程序与安全性评估方法。

他说，未来的总体研究目标是，探索纳米材料工作场所和已规模化生产或使用的纳米产品的生物效应与安全性，在核心科学问题上取得重大突破的同时，为我国纳米科技的可持续发展和产业化这一重大国家需求提供科学保障。

梦想引领团队，协同创新未来

有梦想就会有奇迹！把脉学科发展走向，联动国际学术交流，赵宇亮看起来总是那么忙碌，然而不管怎样忙，始终有一件最重要的事挂在他心上，那就是团队建设与人才培养。赵宇亮认为，团队建设与人才培养的精髓就是：用梦想去引领团队，靠协同创新未来。如果能够让一个团队拥有共同的梦想，让一个团队拥抱共同的未来，那么，这个团队将成为奇迹的创造者。

2001年，赵宇亮回国并开始从零组建纳米生物效应与安全性分析的研究团队。除了积极招收具有生物医学背景的博士或博士后以外，他一方面迅速与高能物理研究所柴之芳院士的团队（在重金属毒性和稀土元素毒性研究方面已有长期积累）进行交叉融合，另一方面主动与北京大学医学部，北京大学化学学院等单位同时开展密切的协同研究。为了更好地开展协同创新研究工作，2003年他被北京大学聘为兼职教授。赵宇亮发展纳米安全性研究这个全新领域的努力得到了多方支持，包括全国人大常委会副委员长韩启德院士、中科院院长白春礼院士、刘元方院士、朱道本院士、叶朝辉院士、张焕乔院士、陈和生院士等诸多长辈的重视和支持。同时，高能物理所领导和柴之芳院士支持和帮助他组建和成立了纳米生物效应与安全性实验室，为这个领域的发展搭建了宝贵的平台。

纳米材料生物学效应的研究综合性很强，需要纳米科学、生物学、毒理学、化学、物理学等多学科交叉融合。而高能物理所原有的力量集中在物理和化学领域，生物学领域的人才很少，而生物学家往往一听到是高能物理所就觉得与本专业关系不大，更愿意选择去专业的生物实验室或研究机构工作。这也成为赵宇亮招聘人才面临的最大难题。

实验室建立之后，赵宇亮的第一个任务就是在全球招聘生物学专家。2007年，他利用去美国国立卫生研究院（NIH）开会的机会，委托一位在此工作的朋友在NIH网站上了一则招聘信息。这则招聘广告更像是一张请柬――他邀请在NIH工作学习的中国学者，在当地一家有名的中餐馆共进晚餐。

当晚，20多位中国学者前来赴宴。席间，赵宇亮向他们介绍了中科院的知识创新工程，以及“百人计划”引进国外杰出人才，介绍了实验室的研究方向和情况，描绘了纳米和生物学交叉的发展前景、科学的梦想以及协同未来的思想。并热情邀请大家回国工作。晚餐之后，赵宇亮收获了20多份简历。回到饭店，他反复阅读这20多份简历直至凌晨。

第二天，几乎彻夜未眠的赵宇亮拿着登机牌在美国机场的登机口睡着了，而他醒来时，回国的航班已经起飞一个多小时。而同样被他遗忘的还有太太交代的给儿子买的婴儿用品。尽管回国的经历以及被太太数落的情景如今想来有点窘，但赵宇亮说这次出行非常值得，“就这顿饭我从美国引进回来了两位在NIH工作近十年的生物学‘百人计划’学者，加盟到纳米生物效应与安全性的研究团队。”

在日本学习与工作多年，赵宇亮深受日本“团队精神”的浸染。“我在日本工作的时候，我们的研究团队发现了113号新元素。由于元素周期表中尚没有元素是亚洲人发现的，所以，这是亚洲人第一次为元素周期表中的新元素发现做出贡献，日本学术界很重视。日本在给发现113号元素的人颁奖时，参加实验的数十名研究人员（包括研究生）都同样受奖。而参与这项协同创新研究工作的各个单位也不排名，所以，就没有人计较自己的单位排在第几位，都做出了贡献。”日本人在团队精神认识上的深邃智慧，给了赵宇亮极大启发，也正是因为如此，十几年来，他始终不遗余力地进行团队建设。团队建设需要思想，珍惜每一位人才，为人才创造更好的条件和环境，是团队建设者的使命和责任。从2005―2010年，赵宇亮通过中科院“百人计划”引进了8位“国外杰出人才”。而这些人回到他建立的新实验室以后，都放弃了原来在国外从事的研究方向，转向从事纳米生物效应的研究。其中多人因此成为国家杰出青年基金获得者，得到了学术界的广泛认可和高度关注。

“当个体形成一个团队的时候，个人的贡献大小和得失多少，都已经不重要。重要的是，如何发挥团队的力量。”这是赵宇亮的日本导师中原弘道说过的一句话，这也是一句让他至今都铭刻在心的一句话。也因此，他总是在讲述自己的团队，总是在强调所有的成果都是团队共同努力完成的。然而，不能忽略的是，一个卓越的团队首先需要一个卓越的领导者，才能发挥最大的功效。

一幅漫画曾经这样描绘boss（老板）与leader（领袖）的区别：boss是拿着皮鞭在团队身后鞭策指挥的那个人，而leader则是手持缰绳冲在所有人最前头的那一个。赵宇亮便是这样一个leader，在科学创新的奋战疆场上，他永远是冲在最前面的那个人；而在成功后的鲜花与掌声中，他却掩身于人群中，让人们看到一个团队的伟大。

专家简介：

赵宇亮1963年出生，籍贯四川南充，研究生学历，博士学位。1985年毕业于四川大学化学系，获学士学位。1985年7月进入中国核动力研究院从事核燃料化学的研究。1989年赴日本原子力研究所进修，1993年考入东京都立大学研究生院，获硕士、博士学位。先后在日本原子力研究所先端科学研究中心，日本理化学研究所（RIKEN）从事研究工作。

2000年入选中国科学院“引进国外杰出人才（百人计划）”，2001年7月回国，任中科院高能物理所研究员、博士生导师。“杰青”，科技部973首席科学家，北京大学兼职教授，中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任。2007年4月兼任国家纳米科学中心主任助理。2011年5月担任国家纳米科学中心副主任、研究员、博士生导师。

纳米技术的核心范文篇4

研究人员表示，因为要尽可能地保留患者大脑的正常部分，即使是技艺最精湛的外科医生也无法保证脑瘤切除后不会遗留癌细胞。这在恶性胶质瘤的移除上表现得尤其明显，该种癌细胞可沿血管和神经束轻易扩散，使健康组织发生病变。此外，源自原发肿瘤的微转移，也可在周围健康组织生根发芽，而这都是外科医生无法用肉眼识别的。

新技术能借助包裹了成像试剂的黄金纳米粒子，突出小鼠的恶性胶质瘤组织，使手术更易进行。粒子的尺寸约为人类红血球大小的1/60。科学家推测，这些粒子由小鼠尾部静脉注射后会优先在肿瘤内“安家”。纳米粒子可沿血管抵达周围的肿瘤组织，粒子的黄金核心涂覆了含有钆的特殊涂层，可使粒子对3种不同的成像方式皆可见，即磁共振成像（MRI）、光声成像和拉曼成像，每种都能有效提升手术效果。

MRI可在手术前较好地显示肿瘤的边缘及位置，却不能在手术过程中大脑处于动态时完整地描述肿瘤的侵略性增长。纳米粒子的黄金核心能吸收光声成像的光脉冲，并随着粒子微微升温，生成可检测到的超声信号，并从中计算出三维的肿瘤图像。由于这种成像方式可深度贯穿，并对黄金粒子的存在十分敏感，其能保证在手术过程中对肿瘤边缘的实时、准确描述，引导医生移除大部分肿瘤，提升移除精准度。但上述两种方法都不能分辨出健康组织和癌变组织的区别，拉曼成像可促使纳米粒子的某一外涂层放射出波长不同的难以探测的光，黄金核心的表面能放大这些微弱的拉曼信号，并能被特殊的显微镜捕捉到。由于这些信号只会从藏身于肿瘤之中的纳米粒子发出，因此科研人员可轻易分辨出每一点残留的癌变组织，使肿瘤的彻底清除更加容易。

纳米技术的核心范文篇5

在摩尔定律引领下的集成电路生产正在逼近物理定律的极限,芯片产业迫切需要替代技术。目前尚处于研发状态中的各种新的芯片生产技术―分子计算、生物计算、量子计算、石墨烯等技术中,谁将最终胜出?

1975年,芯片产业的先驱戈登•摩尔(GordonMoore)了著名的摩尔定律:集成电路芯片的复杂程度每过两年就会增加一倍。此后的几十年来,在这一定律的指引下,芯片制造工艺的进步让芯片的晶体管尺寸得以不断缩小,从而使电气信号传输的距离更短,处理速度也更快。

对电子行业和消费者来说,摩尔定律意味着计算机类设备的尺寸将变得更小、速度更快、成本更低。当然,这一切都要归功于半导体设计和制造方面坚持不懈的创新,35年来芯片在一如既往地遵循这条轨迹。不过,工程师们也清楚,摩尔定律终究会在某个时候陷入绝境,因为晶体管会变得只有几十个原子那么厚。这么小的尺寸正在逼近基本的物理定律的极限,而实际上在逼近这个极限前就已经出现了两个很实际的问题:想把这么小的晶体管如此近地放在一起,又要获得高产量(质量合格的芯片,而不是有瑕疵的芯片),成本会变得过于高昂;而另一方面,一大堆晶体管进行开关操作时产生的热量会急剧攀升,足以烧毁元件本身。

的确,这些问题几年前已经开始显现了。如今普通的个人电脑普遍采用“双核”芯片――意味着使用两个小处理器,而不是一个处理器,这种设计的一个非常主要的原因是,如果把所需数量的晶体管封装到一块芯片上并解决散热问题已变得困难重重。芯片设计人员改而选择并排放置两块或更多块芯片,并对它们进行编程,以便并行处理信息。

摩尔定律最终可能会寿终正寝。如果真是那样的话,工程师们该如何继续制造出功能更强大的芯片呢?改用新的架构或者研发可以逐个原子组装的纳米材料是研究人员正在研究的两种办法。另外一些办法还包括量子计算和生物计算。下面会介绍一些技术,其中一些目前还处于原型阶段。在接下来的20年里,这些技术有望让计算机继续遵循“尺寸更小、速度更快、成本更低”这条道路向前发展。

散热:

研发新型散热器

由于一块芯片上的晶体管数量多达10亿只,消除晶体管在开关操作时生成的热量是一大挑战。虽然个人电脑里面有空间容纳风扇,但即便如此,每块芯片约100瓦的功耗却已是其散热极限。为此研究人员开始设计一些新颖的替代技术。MacBookAir笔记本电脑采用由热传导铝制成的精美外壳,并充当散热器。在苹果PowerMacG5个人电脑中,液体(水)从处理器芯片下面的微通道流过以散热。

不过,液体和电子器件却是一个不可靠的组合,像智能手机这些比较小的便携式装置根本没有地方来容纳管道或风扇。英特尔的一支研究小组已把一层碲化铋超晶格薄膜做到芯片封装体中。温差电材料把温度梯度转变成电信号,实际上对芯片本身起到了散热效果。

初创公司Ventiva正在普渡大学研究工作的基础上,研制一种没有活动部件的小型固态“风扇”,它利用电晕风效应(CoronaWindEffect)来生成一股微风―安静的家用空气净化器采用了这种技术。稍稍凹下去的格栅有带电导线,可以生成微型等离子体。这种气体状混合物里面的离子促使空气分子从带电导线转移到相邻极板,生成一股风。这种风扇生成的气流比普通的机械风扇大,而尺寸要小得多。其他创新公司则在制造斯特令发动机风扇(不过有些笨重),其特点是能生成风,又不用耗电,芯片冷热部位之间的温差是驱动这些风扇的动力。

架构:

多核成为主流

更小的晶体管能够更快地进行开关操作(表示0和1),因而芯片速度更快。但是当芯片达到散热极限后,时钟频率(芯片在一秒内可以处理的指令数量)也就无法再提高,保持在三四兆赫兹。人们希望在散热和速度极限范围内获得更高的性能,于是设计师们把两个处理器或核心放在同一块芯片上。虽然每个核心的运行速度与之前的处理器一样快,但由于两个核心并行工作,所以在特定的时间内能够处理更多数据,耗电量比较低,散热也比较少。现在最新的个人电脑采用四核处理器,比如英特尔i7和AMDPhenomX4。

多核给软件带来了挑战。世界上功能最强大的超级计算机里面有数千个核,而在普通的消费类产品中,即便只是想极高效地利用几个核心,都需要新的编程技术来划分数据和处理,并且协调任务。上世纪八九十年代,研究人员已经为超级计算机解决好了并行编程的基础性工作,而现在的难题是开发出用来编写消费类应用软件的语言和工具。据悉,微软研究部门已了F#编程语言。瑞典爱立信公司推出的一门早期语言Erlang催生出了几门更新的语言,包括Clojure和Scala。伊利诺斯大学等院校也在为多核芯片研发并行编程技术。

如果这些方法能得到完善,桌面和移动设备就可以有几十个或更多个并行处理器,这些处理器单个所含的晶体管数量都少于现有芯片,但作为一个整体,运行速度更快。

更薄的材料:

纳米管和自组装

近十年来,业界权威将纳米技术作为解决医学、能源以及集成电路等行业各种挑战的候选方案。一些拥护者更是认为,制造芯片的半导体行业实际上已经形成了一套纳米技术学科,专门研发、生产越来越小的晶体管。

不过更现实的希望是,纳米技术让工程师们可以制造出特制分子(DesignerMolecule)。比如,用碳纳米管组装而成的晶体管可以做得极小。IBM公司的工程师们已制造出用碳纳米管而不是硅作为传导衬底的传统互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。来自该研究小组的JoergAppenzeller现任职于普渡大学,它正在设计尺寸比CMOS器件小得多的新型晶体管,有望更好地利用小型的纳米管基部。

排列分子、甚至排列原子很棘手,特别是由于需要在芯片生产期间对它们进行大批量组装。一种解决方案是使用能自组装的分子:把这些分子混合起来,然后让它们受到热、光或离心力的作用,让它们自己排列成所需的图案。

IBM已研究出如何利用化学键结合的聚合物来制造内存电路。分子被放到硅晶片表面上经加热后延展形成蜂巢结构,蜂巢孔的直径只有20纳米。然后,将图案蚀刻到硅片上,形成这种尺寸的内存芯片。

速度更快的晶体管:超薄石墨烯

不断缩小晶体管尺寸的目的是为了缩小电气信号在芯片里面传输的距离,从而加快处理信息的速度。但一种特别的纳米材料―石墨烯(Graphene)有望带来更快的速度,这归功于其天生的结构。

处理信息的逻辑芯片大多使用由CMOS技术做成的场效应晶体管。晶体管就好比是一块狭长、长方形的多层蛋糕,最上面一层是铝(或者最近常用的多晶硅),中间一层是绝缘氧化物,最下面一层是半导体硅。石墨烯(最近剥离出来的一种碳分子)是一片在同一平面重复的六边形,外观像六角形铁丝网,但厚度只有一个原子层厚。石墨烯片彼此堆叠起来,形成矿物质石墨,也就是我们所熟悉的那种铅笔“芯”。纯晶体形式的石墨烯在室温下传导电子的速度超过其他任何材料,比场效应晶体管快多了。由于散射或与晶格中的原子发生碰撞,电荷载体损失的能量非常少,所以产生的废热比较少。科学家们直到2004年才剥离出石墨烯这种材料,因此这方面的研究工作仍处于早期阶段,但研究人员对于研制出宽度只有10纳米、高度只有一个原子大小的石墨烯晶体管满怀信心。众多电路也许有望蚀刻到一块小小的石墨烯片上。

大小:

采用交叉线寻求突破

如今可以制造出来的尺寸最小的商用晶体管只有32纳米宽,相当于96个硅原子的总宽度。业界普遍认为,想利用几十年来不断完善的光刻技术制造出尺寸小于22纳米的元件极其困难。

但是,有一种方法可以制造出尺寸相似的电路元件,又能提供更强大的计算功能,那就是交叉线设计(CrossbarDesign)。交叉线设计方法是在一个平面上有一组并行纳米线,同第二组与该平面成直角的纳米线交叉(相当于两条互相垂直的公路),而不是全在一个平面制造晶体管(就像把多辆汽车塞到一条堵塞公路上的几条车道)。两组纳米线线之间有一个分子厚的缓冲层。这两组线之间存在的许多交叉点名为忆阻器(Memristor),其工作方式类似开关,可以像晶体管那样表示1和0(两位数,即比特)。不过忆阻器还能存储信息。这些功能结合起来,就能执行诸多计算任务。实际上,一个忆阻器就能完成10到15个晶体管的工作量。

惠普实验室已利用30纳米宽的钛线和铂线制造出交叉线设计的原型,而采用的材料和工艺类似于目前半导体行业所用的材料和工艺。惠普公司的研究人员认为,每条线的宽度最小能做到8纳米。另外也有几个研究小组在研究用硅、钛和硫化银做成交叉线。

光子计算:与光一样快

替代硅芯片的全新技术仍然还处于研发初期,真正的商用产品可能十年后才会问世,但摩尔定律到那时可能走到头了,所以研究人员不得不研发新的解决办法―光学计算就是其中之一。

在光学计算中,载送信息的不是电子,而是光子。光子的载送速度要快得多,达到了光速;不过,要控制光也困难得多。通信线路中的光缆沿线处的光学开关其制造技术取得了进展,这有助于光学计算的研究。出人意料的是,最重要的研究其目的却是,研制出介于多核芯片上传统处理器之间的光学互连器件。并行处理信息的处理器核心之间要来回传送大量数据,所以连接处理器核心的引线会成为瓶颈,而光学互连器件有望改善数据传送。惠普实验室的研究人员正在评估可将传送的信息量增加两个数量级的设计。

其他机构组织正在研制光学互连器件来取代速度较慢的铜线,如今人们用铜线把处理器芯片与计算机里面的其他部件(如内存芯片和DVD驱动器)连起来。英特尔和加州大学圣巴巴拉分校的工程师们采用常规的半导体制造工艺,利用硅和磷酸铟研制出了光学“数据管道”。不过,纯粹的光学计算芯片的出现还需要在技术层面取得一些根本性突破。

分子计算:用分子做成电路

在分子计算中,代表1和0的是分子,而不是晶体管。当分子是生物分子时(如DNA),这类计算称为分子计算(参阅下文的“生物计算:能存活的芯片”)。为了区分,工程师可能会将非生物分子计算称为分子逻辑或分子电子学。

典型的晶体管有三个端子(可以想象成字母Y):源极、栅极和漏极。对栅极(Y的下半部)施加电压后,就会引起电子在源极和漏极之间移动,形成1或0。从理论上来说,树枝状分子会引发信号以类似的方式移动。十年前,耶鲁大学和赖斯大学的研究人员利用苯作为一种构建材料,研制出了分子开关。

分子可能很小,所以用分子做成的电路可能比用硅做成的电路小得多。不过,一个现实的难题是必须找到制造复杂电路的方法。研究人员们认为,自组装也许是一种解决办法。2009年10月,宾夕法尼亚大学的一个科研小组单单利用促使自组装的化学反应,就把锌和结晶硫化镉转变成金属-半导体超晶格电路。

量子计算:

表达出更多的信息

用一个个原子、电子甚至光子做成的电路元件将是尺寸最小的元件。在这么小的尺寸范围内,元件相互之间的联系由量子力学(即解释原子行为的一套定律)管理。量子计算机可能拥有异常惊人的密度和速度,但实际制造量子计算机及管理随之出现的量子效应却困难重重。

原子和电子具有能在不同状态下存在的特性,能够组成量子比特(Qubit)。研究处理量子比特的几种方法正在试验中。一种名为自旋电子(Spintronics)的方法使用电子,电子的磁矩会在两种旋转方向中选择其一。就好比一只球往一个方向或另一方向旋转(分别表示1或0)。不过,两个状态还能共存于一个电子中,形成一种独特的量子状态,名为0和1的叠加(Superposition)。在叠加状态下,一连串电子可以表示比一串只有普通比特状态的硅晶体管多得多的信息。加州大学圣巴巴拉分校的科学家们已通过用蚀刻到金刚石上的空腔来俘获电子,做成了许多不同的逻辑栅极。

在马里兰大学和美国国家标准技术研究所研究的另一种方法中,一串离子悬浮在带电板之间,而激光可以快速转动每个离子的磁定向(量子比特)。第二种方法是检测离子发射出来的不同种类的光子,种类取决于离子的定向。

除了具有叠加优点外,量子元件还能表示出更多的信息,如多个量子比特的信息状态可以结合起来,从而获得处理信息。

生物计算:

能存活的芯片

生物计算用通常存在于生物体内的结构取代晶体管。备受关注的是DNA分子和RNA分子,它们中存储着决定人体细胞生命的“编程信息”。一种令人遐想的远景是,尽管一块小指甲大小的芯片可能含有10亿个晶体管,而一个同样尺寸的处理器可能含有数万亿个DNA链。DNA链可以同时处理某项计算任务的不同部分,并且相互结合起来,以给出解决方案。除了元件数量多出几个数量级外,生物芯片还有望提供大规模并行处理功能。

早期的生物电路通过组合及分开DNA链之间的键来处理信息。研究人员现正在研究可以在细胞里面存储及复制的“遗传计算机程序”。而面临的挑战是,找到对成批的生物元件进行编程的方法,以便它们能按预期的方式进行工作。这种计算机最终可能会首先出现在人体内流动的血液中,而不是办公桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的研究人员已利用DNA研制出一种简单的处理器,他们现正在努力让处理器组件可以在活生生的细胞里面工作,并与细胞周围环境进行通信。

链接

石墨烯材料的特点

石墨烯(Graphene)是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜,是由碳原子组成的蜂窝状二维晶体。该材料具有许多新奇的物理特性。首先石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率,是一种性能优异的半导体材料。此外,石墨烯还可用于制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等。

科学家们对石墨烯感兴趣的原因之一是受到碳纳米管科研成果的启发。石墨烯很有可能会成为硅的替代品。在制作复杂电路时,纳米管必须经过仔细筛选和定位,目前还没有开发出非常好的方法,而这对石墨烯而言则要容易得多。

纳米技术的核心范文

[关键词]制造业；增长方式；发展战略；思路

一、转变制造业增长方式的紧迫性

目前，我国制造业已有较好基础，并已成为世界制造大国，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、日本的1／2，与德国接近。产量居世界第—的有80多种产品。然而，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，大量产品处于技术链和价值链的低端。在代表制造业发展方向和技术水平的装备制造业，我国的落后状况尤其明显，大多数装备生产企业没有核心技术和自主知识产权。同时，我国制造业劳动生产率水平偏低，许多部门的劳动生产率仅及美国、日本和德国的1／10，甚至低于马来西亚和印度尼西亚。这一差距，尤其明显地表现在资本密集型和知识密集型产业上。在此条件—卜，我国制造业不能继续在技术链低端延伸，不能依靠高消耗获得更多低附加值产品，必须用科学发展观指导制造业运行，转变制造业增长方式。

二、转变制造业增长方式必须发展现代制造技术

产品技术链，没有一个固化的定式，但总是由低端向高端发展。近年，它正伴随着现代制造技术的进步不断向高端延伸。目前，制造业技术链高端几乎被现代技术垄断，处于技术链高端的产品几乎都是由现代技术制造出来的。所以，要转变我国制造业增长方式，必须抓紧发展现代制造技术，通过现代技术促使制造业及其产品向技术链高端延伸，以便降低技术链低端产品的比重，相应提高技术链高端产品的比重。

在知识经济时代到来之际，微电子技术、光电子技术、生物技术、高分子化学工程技术、新型材料技术、原子能利用技术、航空航天技术和海洋开发工程技术等高新技术迅猛发展。以计算机广泛应用为基础的自动化技术和信息技术，与高新技术及传统制造方法结合起来，便产生了现代制造技术。

现代制造技术，保留和继承了传统制造技术的产品创新要求，如增加现有产品的功能，扩大现行产品的效用：增多现有产品的品种、款式和规格：缩小原产品的体积，减轻原产品的重量：简化产品结构，使产品零部件标准化、系列化、通用化：提高现有产品的功效，使之节能省耗等。但是，现代制造技术，在制造范畴的内涵与外延、制造工艺、制造系统和制造模式等方面，与传统制造技术均有重人差别。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯把原料加工为成品的生产过程，它包括产品从构思设计到最终退出市场的整个生命周期，涉及产品的构思、构思方案筛选、确定产品概念、效益分析、设计制造和鉴定样品、市场试销、正式投产，以及产品的售前和售后服务等环节。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯使用机械加工方法的生产过程，它除了机械加工方法外，还运用光电子加工方法、电子束加工方法、离子束加i：方法、硅微加工方法、电化学加工方法等，往往形成光、机、电一体化的工艺流程和加工系统。

三、发展现代制造技术的重点方向

现代制造技术正在朝着自动化、智能化、柔性化、集成化、精密化、微型化、清洁化、艺术化、个性化、高效化方向发展。为了转变制造业增长方式，促使制造业向技术链高端延伸，我国宜着重发展以下现代制造技术。

(一)以纳米技术为基础的微型系统制造技术

“纳米”是英文nan。meter的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米技术，表现为在纳米尺度(0．1nm到100nm之间)内研究物质的相互作用和运动规律，以及把它应用于实际的技术。其基本含义是在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。纳米技术以混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学等现代科学为理论基础，以计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术为操作手段，是现代科学与现代技术相结合的产物。

纳米技术主要包括：纳米材料学(nanomaterials)、纳米动力学(nanodynamics)、纳内米电子学(nanoclectronics)、纳米生物学(nanobi010gy)和纳米药物学(nan。pharmics)。就制造技术角度来说，它主要含有纳米设计技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术、纳米材料技术、纳米机械技术等。以纳米技术为基础，在纳米尺度上把机械技术与电子技术有机融合起来，便产生了微型系统制造技术。

自从硅微型压力传感器，作为第一个微型系统制造产品问世以来，相继研制成功微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件、硅微型静电电机、微型加速度计等一系列这方面的产品。美国航空航天局运用微型系统制造技术，推出的一款微型卫星，其体积只相当于一枚25美分的硬币。

微型系统制造技术，对制造业的发展产生了巨大影响，已在航天航空、国防安全、医疗、生物等领域崭露头角，并在不断扩大应用范围。

(二)以电子束和离子束等加工为特色的超精密加工技术

超精密加工技术，一般表现为被加工对象的尺寸和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术。

这项技术包括超精密切削、超精密磨削、研磨和抛光、超精密微细加工等内容，主要用于超精密光学零件、超精密异形零件、超精密偶件和微机电产品等加工。

电广束、离子束、激光束等加工技术，通常出现在超精密微细加上领域，用来制造为集成电路配套的微小型传感器、执行器等新兴微机电产品，以及硅光刻技术和其他微细加工技术的生产设备、检测设备等。20世纪80年代以来，超精密加工技术，在超精密加工机床等设备、超精密加工刀具与加工工艺、超精密加工测量和控制，以及超精密加工所需要的恒温、隔热、洁净之类环境控制等方面，取得了一系列突破性进展。超精密加工技术投资大、风险高，但增值额和回报率也高得惊人。近来，发达国家把它作为提升国力的尖端技术竞相发展，前景非常好。

(三)以节约资源和保护环境为前提的省耗绿色制造技术

纳米技术的核心范文篇7

关键词:科技伦理;问题;责任

中图分类号:B82文献标识码:A

一、科技伦理学的概念和研究内容

科技伦理学是一门交叉学科,是科学技术学与伦理学相结合的产物。科学技术学与伦理学之所以能够联系起来,形成―门独立的学科――科技伦理学,是因为作为第一生产力,科学技术是与利益问题分不开的,关系到人类的利益,而伦理学的基本问题则是道德与利益的关系问题。这样,利益问题就成了科学技术与伦理道德统一的基础或联系的桥梁。科技伦理学主要是指科技创新活动中人与社会、人与自然和人与人关系的思想与行为准则,它规定了科技工作者及其共同体应恪守的价值观念、社会责任和行为规范。研究者指出,科学伦理和科技工作者的社会责任事关整个社会的发展前途。概括地说,作为科学技术学与伦理学相结合的科技伦理学,主要研究人与自然的道德关系、科学技术的伦理本质、科技发展与道德进步的互动及其机制。

二、常见的科技伦理问题

(一)生命科学的伦理问题

1、克隆技术与科学伦理。克隆技术引起的伦理问题最令人关注。克隆人也许为人类实现长生不老的千年梦想提供了有科学依据的可能,但祸福总相依,克隆行为将会损害被克隆者的公民权益,使被克隆者的唯一性、独特性大大降低。同时,自我欲求、需要、生存价值受到限制,与他人同样所应有的自、自决权将会遭到否定。科学家在控制生命、实践生物技术的过程中,其行为时刻面对着道德选择。由于人类胚胎干细胞研究与“克隆人”仅仅是一步之遥,在人类胚胎中收集胚胎干细胞必须要考察行为人的动机。人的胚胎是生命的一种形式,它具有发育成一个个体人的潜力,随意破坏人的胚胎实际上是在扼杀人的生命,是不道德也是非人道的。尽管世界各国政府和科学家对“克隆人”技术表示强烈反对,但是对于人类胚胎干细胞克隆技术应用于人体医学科技领域则给予高度关注。

总之,国际社会及各国政府的制约是确保生物技术健康发展的必要条件,而科学家的个人行为范式是确保生物技术造福于人类的决定性因素。科学家的个人觉悟、道德情操、思想品德、献身科学的勇气及高尚的人文精神,都将对21世纪生物技术的发展起到极大的推动作用。

2、基因研究中的科学伦理。基因工程技术是生物工程技术的核心。人类基因组研究是从分子水平直接探索人类自身奥秘的伟大科学工程,是人类认识自我、追求健康、战胜疾病最为重要的科学研究行为。它之所以在全球范围内引起轰动,除了其自身的科学价值和经济价值外,一个重要的原因就是它对伦理、法律等构成了挑战。

按科学家的设想,人类基因组研究计划旨在建立起全球性的人类基因多样性资源库(包括生物样品、统计数据、相关的信息等)。人类基因组研究的目标与意义主要包括如下几个方面:探讨人类的起源,了解和说明人类进化的历史,从微观层面深化对人与人、人与社会、人与自然关系的认识,为寻求导致疾病与防治疾病的遗传因素以及为这些因素与环境的相互关系提供更基础的信息。但是,人们在享受这一成果的同时,不能不思考它带来的各种伦理问题,如基因争夺与基因殖民主义;基因隐私与基因歧视;个体自决权问题;基因治疗与基因犯罪等。

此外,还有转基因技术应用的安全性问题。转基因技术是利用分子生物学技术,将某些生物的基因转移到其他物种中,使遗传物质得到改造的生物在性状、营养和消费品质等方面向人类需要的目标转变。尽管转基因技术可以提高作物的产量、增强作物的抗病虫害能力,但转基因产品的安全问题却一直存在争议,至今尚无定论。人们对转基因技术的主要担心有:含有抗病虫害基因的食品是否会威胁人类的健康、转基因产品对环境的影响、转基因产品是否会破坏生物的多样性和转基因产品带来的伦理问题等。

(二)生态环境伦理问题。人与自然环境的关系问题,自人类出现就已经存在。人既依赖自然而生存,又是改变自然的力量,人与自然是依存、适应、冲突与和谐的关系。随着科技进步和生产力的提高,人由自然的奴隶变成自然的主人,人与自然的关系也逐渐成了改造与被改造、征服与被征服的关系。人类以自然的主人自居,片面地按照人类的主观意志或需求去改造自然,往往会违背客观规律,酿成环境恶化、资源枯竭的苦果。

实践证明,“人类中心论”漠视自然客体,过分强调人类的价值主体地位,有悖于可持续发展思想,已逐渐失去社会思维主体地位。生态环境伦理学是人与自然道德生活的理论基础,它根据生态学揭示的人与自然相互作用的规律,对资源利用和环境保护进行深层次的哲学思考,它突出强调在改造自然中要保持自然的生态平衡,要尊重和保护环境,不能急功近利,不能以牺牲环境为代价取得经济的暂时发展。

当前,建构生态环境伦理要主张人与人及人与自然的生存平等、利益平等和发展平等,即一部分人的发展不能以牺牲另一部分人的利益为代价,既要求代内平等,也要求代际平等。所谓代际平等的道德原则,就是当代人与后代人在享用自然、利用自然、开发自然的权利要均等。解决代际不平等现象,必须建构生态环境伦理,用理性约束人类的行为,树立可持续发展的生态环境观念。

(三)纳米等“新材料”的科学伦理问题。自20世纪九十年代纳米产品进入人们生活以来,纳米材料已经应用于大众生活的各个方面,显示出巨大的发展潜力。纳米技术是对大小在100纳米以下的物质进行操作,利用物质在这一尺度上表现出的独特性质来制造新产品。目前部分计算机芯片、防皱的裤子、DVD播放机、自洁玻璃、防晒霜中的遮光剂等产品,都是应用纳米技术的实例。

但近期,纳米技术对人类健康和自然环境的负面影响,成了科学界研究的新课题。在美国化学学会2003年年会上,有3个研究小组分别报告说,纳米材料具有特殊的毒性。美国航空航天局太空中心的研究小组发现,向小鼠的肺部喷含有碳纳米管的溶液,碳纳米管会进入小鼠肺泡,并形成肉芽瘤,而用聚四氟乙烯制作的纳米颗粒毒性更强。纽约州罗切斯特大学的研究小组让大鼠在含有这种纳米颗粒的空气中生活15分钟,会导致大多数老鼠在4个小时内死亡。研究人员指出,这只是初步结果,还需要做更深入的研究。

开展纳米技术的安全性研究,并不是要限制纳米技术的发展,而是要更科学地发展纳米技术。研究发现,纳米技术一旦渗透到生物学领域将迅速改变农业和医学的面貌,人类生活方式也将在纳米技术与计算机和基因生物学的结合中迅速出现革命性的变化。同时,在人类健康、社会伦理、生态环境、可持续发展等方面将会引发诸多问题。

(四)网络时代的信息伦理问题。20世纪九十年代以来,以数字技术、多媒体技术和网络技术为代表的现代信息技术推动着人类社会从后工业社会向信息社会迅速转变,引发了信息传播在媒介形式、报道方式、受众地位、受众行为等多方面产生了一系列深刻的变革,同时也带来了信息伦理问题。

网络的开放性使得文化和价值观各异的人们参与到网络中来,在网络交往活动中,首先面临的是对个人隐私的挑战,如何保护合法的个人隐私、如何防止把个人隐私作为谋取经济利益的手段,成为网络时代的主要伦理问题。虚拟与现实之间,一系列其他新的社会问题诸如网络犯罪、网络病毒、网络黑客、垃圾邮件、网络安全、信息垄断、网上知识产权,以及利用信息网络进行恐怖活动和发动信息战争,危害社会公共利益和威胁国家安全等随之产生,这些都引发了计算机网络技术与信息伦理的激烈冲突。

专家指出,要构建新形势下的信息伦理,必须在四个方面有所突破:一是提高公民的信息伦理意识;二是制定出清晰的信息伦理准则;三是超前预示各类信息伦理问题;四是进行信息立法,互补信息伦理。

(五)基因武器和生化武器的军事伦理问题。世界上任何的高新技术一经开发,很快就会被应用于军事领域。像美俄两国始终致力于把最新技术引入核武器系统中,以实现其核武器的现代化,奉行对别国的核威慑战略。典型的还有基因技术在军事领域的应用及其所带来的军事伦理问题。

基因武器还可以根据人类的基因特征选择某一种族群体作为杀伤对象。原理是人类不同种群的遗传基因有一些差别,将基因表现不同的产物当作攻击目标是完全可行的,因此科学家们也称这种“只对敌方具有残酷杀伤力,而对己方毫无影响”的新型生物武器为“种族武器”。

与造价昂贵的大规模杀伤性武器相比,基因武器有着许多无可比拟的优势:一是成本低、产量高、杀伤能力强;二是使用方法非常简单,难以防治。基因武器从使用到发生作用都没有明显征候和特殊标记,因而很难迅速隔离和及时救治。

科学技术是一把双刃剑,既是“上帝”又是魔鬼,在为人类创造物质财富和精神财富的同时,也使战争的最基本要素――武器的研制和使用得到了飞速发展。自武器进入热核时代、生化时代以来,不管是用战争手段维护正义,还是用战争手段夺人城池,都产生一个非正义的结果,那就是对地球、对人类赖以生存的地理环境造成巨大的毁坏,因此必须要用正义的伦理道德来约束和制止。

三、科技伦理的道德约束和科学家的社会责任

科技给人类带来的一切危害都不是它本身的过错,但科技方法、科技活动、科技成果以及成果的运用,明显渗透着社会文化和伦理道德的因素。科学上“能够的”并不是伦理上“应该的”。作为先进文化的重要组成部分,科技伦理道德的发展方向对整个社会伦理道德的建立和完善有着极为重要的意义。

科技伦理是对科技活动的道德引导,是调节科技工作者相互之间、科技共同体与社会之间诸种关系的道德原则、道德规范。科技伦理不仅蕴含一般的伦理价值,而且包容科学技术真价值。如果一个科学家明明知道某项科学发现将会严重危及人类的生存,那么他就不应该把这一发现公布于众;另外,不论科学研究还是它的社会运用,都是在社会中进行的,而这一舞台的导演是各国政府,因此政府必须规范科技运用,采取措施加强科技发展中的道德伦理约束极为必要。

科学家的社会责任关系到整个社会的道德取向和道德规范,全社会必须关注科技伦理和科学家群体的社会责任问题,在面对种种新的技术成果的同时,不能忽略其自身涉及的种种现实及潜在的危险,必须正确地利用科技成果为人类造福,维护人类的健康和生命,最大限度地避免由于科技成果的使用不当而给社会带来的负面影响。

(作者单位:陕西科技大学)

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纳米技术的核心范文1篇8

1982年，Boutonmt首先报道了应用微乳液制备出了纳米颗粒：用水合胼或者氢气还原在W／O型微乳液水核中的贵金属盐，得到了单分散的Pt，Pd，Ru，Ir金属颗粒（3～nm）。从此以后，不断有文献报道用微乳液合成各种纳米粒子。本文从纳米粒子制备的角度出发，论述了微乳反应器的原理、形成与结构，并对微乳液在纳米材料制备领域中的应用状况进行了阐述。

1微乳反应器原理

在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。

W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。

（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。

（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。

（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。

2微乳反应器的形成及结构

和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。

2．1微乳液的形成机理

Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：

--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi

（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）

上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。

2．2微乳液的结构

RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。

目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。

3微乳反应器的应用――纳米颗粒材料的制备

3．1纳米催化材料的制备

利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备

Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。

3．2无机化合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。

又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。

3．3聚合物纳粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt――正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。

3．4金属单质和合金的制备

利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n―heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。

3．5磁性氧化物颗粒的制备

利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。

3．6高温超导体的制备

利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu―O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu―O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。

目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测（SEM、TEM、STEM、STM等）；间接的方法有电子、X一射线衍射法（XRD），中子衍射，光谱方法有EXAFS，NEXAFS，SEX－AFS，ESR，NMR，红外光谱，拉曼光谱，紫外一可见分光光度法（UV－VIS），荧光光谱及正电子湮没，动态激光光散射（DLS）等。

4结语

纳米技术的核心范文篇9

英文名称：Nanoscience&Nanotechnology

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主办单位：中国微米纳米技术学会;西安纳米科技学会;陕西省电子学会纳米技术专委会

出版周期：双月刊

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创刊时间：2004

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纳米技术的核心范文篇10

关键词DNA传感器；MoS2纳米片；核酸外切酶Ⅲ；双重信号放大；荧光猝灭

1引言

特定序列核酸的检测在病原感染、遗传疾病、法医鉴定以及现代生命科学发展等方面具有重要作用[1～5]。发展灵敏度高、准确性好且简单、快速的核酸检测方法仍然是目前生物分析研究的热点[6，7]。目前，许多信号放大技术已广泛应用于DNA检测中，诸如核酸外切酶Ⅲ（ExonucleaseⅢ，ExoⅢ）诱导的信号放大[8～10]、DNA聚合酶诱导的信号放大[11～13]、杂交链式反应的信号放大[14～17]及滚环复制诱导的信号放大[18～22]等。其中，ExoⅢ能够无序列选择性地将双链DNA的3′末端剪切成单核苷酸，因而成为一种极为常用的信号放大工具[23，24]。ExoⅢ这种独特的性质使其广泛应用于核酸[8～10，23，24]、蛋白质[25，26]及其它物质[27，28]检测中。Cai等[10]开发出了一种基于ExoⅢ的双重放大技术，用于核酸检测。与单重信号放大技术相比，该方法极大提高了检测灵敏度，并有较好的碱基错配分析能力。

MoS2纳米片是一种与石墨烯具有类似结构的二维纳米材料，其独特的纳米电子学性质、光电子性质及电子捕获能力使其成为重要的能量转移受体[29，30]。与石墨烯相比，MoS2纳米片更易于大规模制备，且无需处理即可直接分散于溶液中[31，32]。同时，MoS2纳米片可与荧光染料修饰的单链核酸结合并猝灭其荧光。这一独特性质使其能够用于构建快速、高灵敏且低成本的生物传感器[33～35]。然而，基于MoS2纳米片的生物分析方法仍然较少[36]。

原发性血色病是一种常染色体隐性遗传疾病，致使铁调节相关激素的缺陷，造成胃肠道过度吸收铁，随后沉积在肝脏、胰腺、心脏、关节、皮肤和性腺，最终引起各器官功能的损害，而在人类遗传性血色病中，HFE基因蛋白的突变是最常见的原因[37]。本研究将ExoⅢ诱导的双重放大技术与MoS2纳米片的荧光猝灭性质相结合，用于人血色病（Humanhemochromatosis，HFE）特异性序列的检测中。当目标DNA存在时，会促使ExoⅢ启动双重放大反应，对两条发夹结构的荧光探针核酸（Hairpinprobe1andhairpinprobe2，HP1andHP2）降解，并产生大量荧光基团碎片，且这些碎片因不能吸附于MoS2纳米片表面而使其荧光恢复。本方法由于引入MoS2纳米片，不仅降低了检测背景，且极大降低了荧光探针的用量，进而降低了检测成本。

2实验部分

2.1仪器与试剂

RF5301PC型荧光光谱仪（日本Shimadzu公司），激发波长480nm，激发和发射狭缝宽度均为10nm。PB10酸度计（德国Sartorius公司）。SPA400原子力显微镜（AFM），SPI3800控制软件（日本SeikoInstrumentsIndustry公司）。JEM1200EX透射电子显微镜（TEM，日本电子公司）。

缓冲溶液由20mmol/LTris，300mmol/LNaCl和10mmol/LMgCl2配制，并用HCl调节至pH8.0；MoS2纳米片（南京先丰纳米科技公司）；ExoⅢ（Takara公司）；其它试剂均为分析纯；实验用水均为去离子水；所有核酸均由上海生物生工有限公司合成，其序列见表1。

2.2样品检测

将2.0nmol/LHP1、8.0nmol/LHP2、待测样品和ExoⅢ混合，并用缓冲液补足至200μL，并在37℃下孵育一段时间后，加入适量MoS2纳米片，并用缓冲液补足至400μL。在激发波长为480nm，发射波长为520nm的条件下，测定上述溶液的荧光强度。所有实验均重复3次。

3结果与讨论

3.1实验原理

本方法的检测原理如图1所示：首先设计两条发夹结构的探针核酸HP1和HP2，其序列见表1，HP1和HP2的序列有互补的部分，但两者均为自杂交的分子信标结构，且互补部分主要存在于分子信标的茎部分，因而HP1和HP2不会相互杂交。当没有目标DNA时，HP1和HP2各自保持其分子信标结构，两者3′粘性末端又防止了ExoⅢ的降解，因而HP1和HP2会被吸附于MoS2纳米片表面，荧光信号被猝灭。当体系中存在目标DNA时，目标DNA与HP1杂交，HP1的3′末端成为双链结构，从而诱使ExoⅢ对HP1进行降解。在降解过程中，会产生荧光碎片基团和HP1中的T1序列（黑色加粗部分），且目标DNA从杂交复合体中重新释放，并与另一个HP1分子杂交，重新开启酶切反应。在第二步放大反应中，由上一步反应产生的T1与HP2杂交，并诱导ExoⅢ对HP2进行降解，进而产生另一部分荧光碎片，并使T1从杂交复合物中释放。再与另一个HP2分子杂交，进入下一个循环反应。这样，少量的目标DNA就能够诱导两个信号放大反应的发生，从而产生大量荧光碎片，而这些荧光碎片因不能吸附于MoS2表面而使其晒獾靡曰指础Mü荧光信号的变化，即可对目标DNA进行定量检测。

3.2MoS2{米片的表征

MoS2纳米片的特征结果如图2所示。通过原子力显微镜成像（图2A）可见，MoS2纳米片的高度侧面约1.5nm。从透射电镜图（图2B）可见，MoS2纳米片能够较稳定地均匀分散于在溶液中。

3.3可行性实验

可行性实验结果如图3所示，当体系中没有目标DNA时（a），由于探针核酸HP1和HP2均为发夹结构不能相互杂交，且ExoⅢ只能对3′末端为双链结构的核酸降解，不能对3′末端为粘性的核酸降解，因而大量的探针核酸仍保持单链结构，且吸附于MoS2纳米片表面，体系的荧光强度非常微弱。

当体系当中没有ExoⅢ时（b），目标DNA只能与少量HP1杂交，大量探针核酸（HP1和HP2）仍会被MoS2纳米片吸附，而是其荧光猝灭。只有当目标DNA和ExoⅢ同时存在时（c，d，e），目标DNA才会与HP1杂交成双链结构，双重放大反应得以启动，大量探针核酸被降解成单核苷酸碎片，荧光基团被释放，且难以吸附于MoS2纳米片表面，荧光强度明显增强，且随目标DNA浓度升高，荧光信号逐渐增强。说明这种荧光传感器的设计可以实现目标核酸的信号放大检测。

3.4条件优化

为获得最佳检测结果，对检测体系中MoS2纳米片浓度、ExoⅢ用量及检测时间进行优化。

MoS2纳米片浓度对HP1和HP2的荧光强度的影响见图4，随着MoS2纳米片浓度增大，HP1和HP2的荧光强度逐渐降低。当MoS2纳米片浓度在0～1.8μg/mL范围内变化时，荧光强度呈线性下降；当MoS2浓度继续增大时，荧光强度继续下降，但下降幅度减少；当MoS2纳米片的浓度超过3.6μg/mL时，荧光强度变

化很小，因而MoS2纳米片浓度选取为3.6μg/mL。

ExoⅢ是体系中信号放大因子，因而需要对其进行考察。随着ExoⅢ活力增大，荧光强度逐渐增强。当活力超过45U时，荧光强度增强的幅度逐渐趋向平缓，当活力超过60U时，荧光强度虽仍有增加，但增强幅度较少，为节省成本且保证检测效果，后续实验活力选择为60U。

酶反应时间是影响酶反应效果的重要参数。考察酶反应时间对本体系的影响。随着反应时间延长，检测信号逐渐增强，当达到50min时，酶反应逐渐趋于平稳，达到80min时，荧光强度变化微弱，说明反应已经达到平衡。为保证酶反应充分和检测效率，选取80min为最佳反应时间。

3.5目标DNA的标准曲线及检出限

在上述优化的实验条件下，对目标DNA进行定量检测。从图5可见，荧光强度随着目标DNA浓度的增大而增强，表明荧光强度与目标DNA的浓度呈线性关系。

在0.5～6.0pmol/L范围内，荧光强度与目标DNA浓度之间具有良好的线性关系，拟合回归方程为y=84.84x+64.74（R2=0.9860），其中，y为荧光强度，x为目标DNA浓度（pmol/L），检出限（3σ，n=11）为0.28pmol/L。相较于其它HFE信号放大检测方法[10，38]，本方法具有更低的检出限。由于引入MoS2纳米片，本方法中探针核酸无需修饰猝灭基团，且探针使用量更低，极大节省了检测成本。

3.6选择性实验

为验证本方法对目标DNA的特异性，选取目标DNA与错配一个和两个碱基的序列进行比较。由图6可见，本方法能够明显区分目标DNA与碱基错配序列。

在浓度相同的情况下，单碱基错配的荧光强度仅为目标DNA的21.0%，而两个碱基错配序列的荧光信号则只有目标DNA的15.6%。说明本方法能够很好地区分碱基错配序列，具有良好的选择性。

3.7实际样品分析

考察本方法在复杂样品中的检测能力。在1%的空白血清样品中，加入不同浓度的目标核酸，线性结果如图7所示，在1%的空白血清样品中，检测信号依然与目标核酸呈良好的线性关系，表明本方法可以应用于稀释后的血清样品分析，具有较好的抗干扰能力。

4结论

建立了一种基于ExoⅢ诱导的双重信号放大与MoS2纳米片荧光猝灭能力的新型核酸探针。本方法具有高灵敏、高选择性且成本低的优点。本方法具有通用性，将探针的序列改变，则可以应用到其它DNA的检测当中。

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纳米技术的核心范文篇11

【摘要】近年来纳米材料在各领域已受到人们越来越广泛的关注，尤其是核壳型纳米颗粒的制备技术在不断更新发展，在生物传感器方面有着巨大的应用前景。本文重点介绍了生物传感型核壳颗粒的工作原理、制备方法及其在电化学生物传感器、光学生物传感器以及压电晶体生物传感器上的最新应用进展。

【关键词】核壳，纳米颗粒，制备，生物传感器，评述

1引言

纳米技术是20世纪80年代末崛起的新技术，在材料、光学、化工、医药、环境保护等诸多领域得到广泛的应用[1]。纳米颗粒是指尺寸在1～100nm之间的粒子，它是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群，介于宏观物质和微观原子与分子中间的领域，是一种典型的介观系统。其特殊的结构导致它具有许多独特的性质，如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等。传感器追求微型化、灵敏度高、响应速度快[2]，纳米颗粒的特点满足了这些要求，而核壳结构的纳米颗粒可以进一步提高纳米材料的性能，广阔的复合空间与纳米粒子独特性能的结合，使粒子复合技术成为材料领域的又一亮点。核壳部分可由多种材料组成，包括高分子、无机物和金属等。包覆在外面的壳层材料可改变颗粒的光、电、磁等物理性质，在生物传感器领域有着广泛的应用前景。

2生物传感型核壳结构纳米颗粒工作原理

核壳结构的纳米颗粒具有比表面积大、良好的生物相容性以及电催化性等优良的性质，在应用于生物传感器时体现了其优越的适用性。核壳纳米颗粒在生物传感器应用主要有几种形式：构建活性界面用于固定生物材料；作为标记物应用于传感器等。

2.1构建活性界面固定生物材料

核壳颗粒具有保持生物组分活性的性质，而且能加快生物分子与电极表面之间的电子转移，可提供固定生物材料的活性界面（如图1）。图1中将抗体固定在核壳颗粒上，再与特异性抗原结合。DNA以及酶等生物分子在检测等过程中极易失活，而固定在核壳颗粒上，核壳颗粒结合了不同材料的优点，不仅具有良好的生物相容性，保持其生物活性，且比用其中一种材料修饰的检测信号更强。Feng等[3]将CeO2/壳聚糖组合矩阵首次应用于单链DNA探针的固定，组成的生物传感器具有无毒性以及高的电子传导率，加强了单链DNA探针在电极表面的负载，用于结肠直肠癌基因的检测。Marcos等[4]在核壳颗粒上固定肽核酸（PNA），特异性地与互补DNA杂交。Tang等[5]用磁性核壳纳米颗粒(Fe3O4/SiO2)构建界面固定漆酶，构造电化学生物传感器来检测堆肥中苯磷二酚，核壳颗粒良好地保持了漆酶的活性。Yang等[6]用逐层自组装的方法制备了碳纳米管/壳聚糖复合材料，并将胆固醇氧化酶固定在电极上，设计了一种用来检测胆固醇浓度的生物传感器。纳米复合颗粒大幅度提高了固定化酶的催化活性，增加电极的电流响应灵敏度，改进生物传感器的抗干扰性能。

图1核壳颗粒作为活性界面（略）

Fig.1Nanoparticleactsasactiveinterface

在将核壳纳米颗粒用于生物传感器构建过程中，关键是如何将生物材料(酶、抗原、抗体、生物组织、细胞、DNA等)稳定地、高活性地固定到传感换能器(基体电极、晶振片、光极等)表面，提高和改善生物传感器的测定重复性、灵敏度、线性范围、检出限及使用寿命等特性。常用于将生物材料固定在传感换能器表面的主要方法有吸附固定法、包埋法、交联法、共价键合法及定向固定法等。

2.2作为标记物应用于生物传感器

对核壳纳米粒子作为标记物的检测方法主要有分光光度法、荧光分析法和电化学分析法。分光光度法是根据纳米粒子标记DNA探针在分子杂交反应前后最大吸收波长的变化进行测定。由于纳米粒子的激发光谱宽，且连续分布，而发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，即不同大小的纳米粒子能被单一波长的光激发而发出不同颜色的光，并且光稳定性高，不易降解，所以可用荧光分析法对纳米粒子标记物进行测定。电化学分析法是一种新的检测纳米粒子标记物的方法。由于所用纳米粒子多为金属微粒或半导体纳米材料，根据组成纳米粒子的金属不同，其相应的氧化还原电位也不相同，可以通过对纳米粒子标记物中的金属含量的测定，达到对纳米粒子标记物的测定的目的。常用的电化学手段有循环伏安法、溶出伏安法、差分脉冲伏安法等。

Cai等[7]在壳聚糖修饰的电极上修饰ssDNA，与金纳米粒子标记的寡核苷酸探针杂交，加入银纳米的修饰剂，在金表面在线沉积纳米银，得到银包裹的金纳米粒子，利用高灵敏度的微分脉冲伏安法检测银，从而使检测ssDNA的灵敏度提高了2个数量级，检出限可达50pmol/L。Palecek等[8]在DNA序列的检测中引入磁性微粒，用磁性微粒标记寡核苷酸作为探针，与待测的DNA分子杂交后，磁场分离杂交分子，利用阴极溶出法进行DNA的检测，降低了检出限。段菁华等[9]采用油包水的反相微乳液方法，首次以羊抗人免疫球蛋白(IgG)标记的异硫氰酸荧光素(FITC)为核材料，成功地制备了FITC的核壳荧光纳米颗粒，克服了采用传统方法制备核壳荧光纳米颗粒中存在的荧光染料泄露的问题。该核壳荧光纳米颗粒比细胞小很多，且具有生物亲和性，可为纳米生物传感器件提供新型材料。基于该核壳荧光纳米颗粒的标记方法也为生物医学提供了一种新型的非同位素分析方法。

Cai等[10]用低温法制备了一种以Cu为核，Au薄层为壳的核壳型纳米粒子，使之易于与ssDNA进行功能性聚合。这种核壳型Cu/Au纳米粒子与有5′巯基修饰的ssDNA偶联，制备成纳米标记的DNA探针，待测ssDNA固定在玻碳电极表面。当它与相对应的纳米Cu/Au核壳型纳米粒子标记DNA探针杂交后形成含有纳米标记物的DNA杂交分子。与金纳米探针相比，Cu/Au对DNA的杂交过程所产生的电信号具有明显的放大作用。Huang等[11]使用CdSe/ZnS核壳量子点作为荧光标记检测α人类IgE生物素，达到良好的效果，之后又将量子点作为指示剂对尿素进行定量分析[12]。核壳纳米颗粒的特殊性质使传感器具有好的适应性及高灵敏度。Xu等[13]将抗单克隆抗体包被功能化的荧光核壳纳米颗粒，作为标记物用于夹心荧光免疫检测中。校准曲线在1.0～75.0μg/L范围内呈良好的线性关系，检出限达到0.3μg/L。

核壳纳米颗粒利用其不同于传统材料的优良性质，在作为标记物中体现了其特殊的光学性质、催化性质等，极大提高了生物传感器的各项性能，提高响应灵敏度，提高抗干扰能力。

3生物传感型核壳颗粒的制备

3.1溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是合成纳米复合颗粒的一种重要方法。在含有聚合物共溶剂体系中，使得烷氧金属或金属盐等前驱物水解和缩合。如果条件控制得当，在凝胶形成与干燥过程中聚合物不发生相分离，即可获得。这种方法具有成本低、工艺简单、组分易于控制等优点。

溶胶凝胶法在半导体/SiO2纳米复合材料的制备与结构控制方面具有重要作用，该方法设备简单、反应温度低，可制备其它方法难以制备的化合物。Jayasankar等[14]用一种简单的溶胶凝胶方法合成氧化铝钛酸铝核壳结构。这种方法在控制复合颗粒的粒径大小、低温合成及烧结等方面效果显著。在氧化铝基中低温合成钛酸铝归因于试剂间大的接触面积。该方法晶粒生长不明显，且具有很好的增浓作用。

3.2沉积法

沉积法是指将金属快速散射于预定的表面上，而聚合物可以直接加热蒸积到衬底上，也可以是一般单体或聚合物材料经高温热解产生出可聚合性单体散射于衬底聚合而得，可以与金属散射同时聚合，也可以先行聚合再处理。

Sathish等[15]通过沉积法合成AuTiO2复合颗粒。如果用CdS修饰TiO2纳米管阵列，反应生成的CdS晶粒在衬底上的沉积过程实质是一个表面吸附成核的过程。在光滑的薄膜表面上吸附能力较弱，成核密度较低；反之，表面适当粗糙的衬底，却有较强的活性和吸附能力，成核密度高[16]。Flores等[17]制备了SiO2@Ag核壳纳米颗粒，用直径为(4±2)nm的Ag纳米颗粒包覆直径为(50±10)nm的Si纳米微球。在水/乙醇混合液中，原硅酸四乙酯作为硅源，将AgNO3作为Ag的来源而并未加入交联剂，在制备过程中，将溶液中的Ag+转化为Ag纳米颗粒沉积在Si微球表面，形成了均一的核壳结构纳米微球。Shishkanova等[18]将聚苯胺沉积在聚乙烯表面，用来控制聚合膜的厚度。在聚N乙烯吡咯烷酮存在的条件下，苯胺的氧化是在分散态下进行的。

3.3原位聚合法

原位聚合法也称就地聚合。即在柔性聚合物或其单体中溶有刚性聚合物单体后，再就地聚合，生成的刚性聚合物分子均匀地分散在柔性聚合物基体中，从而形成分子复合材料。原位聚合在很大程度上提高了纳米粒子在聚合物基体中的分散性，提高了聚合物复合材料的力学性能。

在合成核壳颗粒过程中，壳层的交联剂含量对粒子的尺寸的影响很大。任现文等[19]用原位聚合法成功地制备出不同响应温度的温敏性聚乳酸/聚异丙基丙烯酰胺co丙烯酰胺核壳胶束。实验中当交联剂的摩尔分数从5%提高到15%时，粒子在25℃下的流体力学直径从170.2nm增加到886.5nm。Liu等[20]用原位聚合法合成了SiO2/聚吡咯核壳颗粒，聚吡咯微球的壳厚度是可以控制的。Jing等[21]采用原位化学氧化聚合法合成了Ag/聚苯胺的核壳结构。Liu等[22]用原位氧化聚合法合成了@聚苯胺（ATP@PANI）核壳颗粒，并研究了HCl浓度的影响以及ATP@PANI复合颗粒的导电性能。核壳颗粒的壳厚度很容易通过过程参数来控制，如单体浓度和热水温度等。Luo等[23]等将聚苯胺原位聚合到Si纳米颗粒上，形成核壳结构，更容易吸附辣根过氧化物酶，同时也增大了活性电极表面积。

3.4自组装技术

自组装是指组装单元通过非共价键作用自发形成热力学稳定且具有明确有序结构的聚集体的过程，自组装技术制备的核壳式微球，其壳层形成的驱动力是中心粒子和壳层间所带的相异电荷，或是相邻壳层间相异电荷的静电引力，实现物理吸附。也可以引发层间的化学反应产生交联，提高了壳层的稳定性。

宋秀芹等[24]采用逐层自组装方法在二氧化硅球表面交替组装了十二烷基硫酸钠单分子膜和TiO2纳米粒子膜，该复合多层膜经高温煅烧得到了核壳型纳米结构TiO2/SiO2复合颗粒。利用X射线、扫描电镜、X射线能谱等对复合颗粒进行了表征。结果表明：TiO2在复合颗粒表面排列紧密、均匀，粒径约50nm，复合颗粒中TiO2的含量随组装层数的增加而均匀增加。Au/C[25]，CdS/聚电解质[26]等核壳颗粒都可通过自组装方式合成。Bizdoaca等[27]用自组装的方法合成核壳颗粒，由640nm直径聚苯乙烯微球核以及5层12nm直径Fe3O4纳米晶体组成。Yang等[28]通过层层自组装技术合成生物功能化的荧光微球，用于免疫检测分析。首先将多层荧光标记的聚电解质覆盖在胶体颗粒上，再包覆上蛋白质层，实验结果显示其具有很好的效果。Chen等[29]制备了以聚苯乙烯为核，将4乙烯基吡啶/Au自组装在核表面形成核壳结构，表面组合颗粒具有更高的催化活性和接触反应效率。Wang等[30]采用层层自组装技术形成AuC@SiO2复合物并构造H2O2生物传感器。

4核壳颗粒在生物传感器的应用

4.1核壳颗粒在电化学传感器中的应用

电化学生物传感器是以酶、微生物、抗原或抗体、细胞、动植物组织为敏感膜，以将生物量转换为电信号的电化学电极为转换器的装置。图2为原理流程图，首先通过吸附沉积等作用形成核壳颗粒，在电极表面修饰化学基团，利用化学基团与核壳颗粒的作用将核壳颗粒固定，再在颗粒表面连接生物分子，用于电化学检测。

Cai等[7]研究的金银复合纳米粒子在DNA检测中使灵敏度较一般的单个纳米粒子标记的DNA探针提高了2个数量级。Liu等[31]将络氨酸酶修饰的磁性核壳颗粒MgFe2O4SiO2利用磁力固定在碳糊电极上，构造苯酚生物传感器，采用循环伏安法等电化学手段对苯酚进行检测。Wang等[32]将Si@Au核壳颗粒（GNSs）通过自组装技术，固定在丙基三甲氧基硅烷（APTES）修饰的氧化铟锡（ITO）电极表面，形成GNSs/APTES/ITO电极。核壳颗粒能提供大的表面积以及具有良好的导电性，促进血色素与电极间的直接电子转移。此外，还据此构筑了高效的H2O2生物传感器。Zhang等[33]利用Fe3O4/SiO2核壳磁性纳米颗粒修饰碳糊电极并用于检测对苯二酚。Qiu等[34]利用二茂铁修饰的磁性核壳Fe3O4/SiO2纳米颗粒合成新型的葡萄糖生物传感器，获得的磁性生物纳米颗粒连接到碳糊电极表面，并作为酶与电极之间电子转移的媒介。此生物传感器可以在1.0×10－5～4.0×10－3mol/L线性范围内检测葡萄糖。Yan等[35]合成银聚苯胺核壳复合物，构造生物传感器，在中性环境中有很好的电化学行为，并对抗坏血酸维生素C的氧化有抑制作用，能在抗坏血酸维生素C浓度为多巴胺5000倍的情况下检测多巴胺。

图2核壳颗粒应用于电化学生物传感器的原理流程图（略）

Fig.2Principleflowchartofcore/shellnanoparticlesappliedinelectrochemicalbiosensor

4.2核壳颗粒在光生物传感器中的应用

光生物传感器选择性地识别分子信息，引发光学变化，且把光学变化转换为电信号输出。可利用的光学信号很多，包括光吸收、荧光、表面等离子体共振等。光生物传感器具有灵敏度高、不需要参比、光传播信号不受外界电磁干扰等特点。图3为核壳颗粒应用于光生物传感器的原理图，首先在平板表面组装上底层，再将作为核的纳米颗粒连接在底层上，并在颗粒外覆盖壳层，利用其特殊光学性质进行检测。

图3核壳颗粒应用于光生物传感器的原理流程图

Fig.3Principleflowchartofcore/shellnanoparticlesappliedinopticalbiosensor

Endo等[36]发展了基于表面等离子体共振生物传感器的新型非标记细胞检测方法。他们使用核壳纳米颗粒作为层基片，通过固定在传感器表面的抗体和抗原的特异性反应而产生的折射率变化，检测细胞代谢物。在此表面等离子体生物传感器中，通过光学性质的检测来判断抗体与细胞代谢物之间的特异性反应，固定在传感器上的抗体的检出限为10ng/L。

Huang等[37]由传统的金纳米棒与Na2S2O3或Na2S反应生成一类虫状的新型金纳米棒。这种金金硫化物核壳结构的金纳米棒的灵敏度比传统的纳米棒高，这种特性使金纳米棒在生物传感器构造以及生物分子识别研究中有广泛的应用前景。核壳颗粒的特殊光学性质，可将其用于光吸收。Enders等[38]通过表面增强红外吸收（SEIRA）来检测抗体抗原的特异性反应。SEIRA膜是将金纳米颗粒沉积到SiO2/Si晶片表面得来的。在将特异性抗体固定到金纳米颗粒上后，样品暴露在特异性抗原中，然后采用红外光谱检测样品。

4.3核壳颗粒在压电晶体生物传感器中的应用

压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器技术与特异的生物反应结合，通过换能器将生物信号转化为易于定性或定量检测的物理或化学信号的新型生物检测分析方法。压电晶体具有高度灵敏性的质量响应特征，其频率变化与结合在其上的物质质量相关。显然，具有生物亲和性质的组分检测，可以构建压电传感器。

高效地将免疫活性材料固定到传感表面是设计生物传感器的关键步骤。Ding等[39]通过将金纳米颗粒自组装到纳米级的羟基磷灰石上，来设计压电免疫传感器的界面，通过检测α胎蛋白抗原抗体系统来研究此传感器的性能，并将此种免疫传感器的免疫反应与抗体单独固定在羟基磷灰石或纳米金上的进行比较。实验发现，用此种传感器的传感界面，抗原抗体活性更高。可以在15.3～600.0μg/L范围内对胎蛋白进行检测。Jia等[40]将细胞连接到壳聚糖/多壁碳纳米管修饰的金电极上，使用压电石英晶体微量天平来控制，这种组合物的化学性质以及形态学都用扫描电极以及红外光谱表征。实验显示这种纳米组合物与细胞有更好的生物相容性。5展望

核壳结构的纳米复合粒子由于其特殊的结构具有许多优异的性质，不同于单一的材料，往往具备核层和壳层材料的性能，有着新的光学、电化学以及光电转换等特性，一直是研究的热点。以前的研究主要集中在核壳聚合物粒子领域，现在的研究深入到内核或外壳为聚合物、氧化物、贵金属等，而且核壳结构的纳米颗粒的组成、形貌和表面性质是可调的，有着重要而广阔的应用前景。生物传感器在免疫学、医学、食品等领域都有着普遍应用，而且已被成功应用于环境中痕量有害物质的分析与检测[41]。生物传感型的核壳粒子作为一种新型的复合材料，它必将受到人们越来越多的重视。如量子点纳米颗粒由于其量子尺寸效应，大小不同或组成材料不同即可发不同颜色的荧光，而且可用单一波长的光激发多种颜色不同的量子点，更适合现今生物大分子的分析检测，近年来被广泛用于生物学标记。生物可降解纳米颗粒的研究也受到越来越多的重视，它们包裹活性物质，使其与周围介质相隔离以避免过快降解，并能在需要时释放活性物质。将核壳纳米颗粒应用于生物传感器的检测，提高了传感器的性能，使其可检测的目标物浓度越来越低，使生物传感器的研究更加深入。但是，部分核壳材料的形成机理及核与壳材料的协同作用机理尚不明确，而且许多制备工艺也完善，制得的纳米复合材料的性能往往无法与期望的完全符合。因此，为了使核壳型纳米复合材料得到更广泛的推广应用，还需要大量深入的研究。

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纳米技术的核心范文1篇12

一般情况下，我们将两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定的、各向同性、外观透明或半透明、粒径l～100nm的分散体系称为微乳液。相应地把制备微乳液的技术称之为微乳化技术（MET）。自从80年代以来，微乳的理论和应用研究获得了迅速的发展，尤其是90年代以来，微乳应用研究发展更快，在许多技术领域：如三次采油，污水治理，萃取分离，催化，食品，生物医药，化妆品，材料制备，化学反应介质，涂料等领域均具有潜在的应用前景。我国的微乳技术研究始于80年代初期，在理论和应用研究方面也取得了相当的成果。1982年，Boutonmt首先报道了应用微乳液制备出了纳米颗粒：用水合胼或者氢气还原在W／O型微乳液水核中的贵金属盐，得到了单分散的Pt，Pd，Ru，Ir金属颗粒（3～nm）。从此以后，不断有文献报道用微乳液合成各种纳米粒子。本文从纳米粒子制备的角度出发，论述了微乳反应器的原理、形成与结构，并对微乳液在纳米材料制备领域中的应用状况进行了阐述。1微乳反应器原理在微乳体系中，用来制备纳米粒子的一般是W／O型体系，该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多为C6～C8直链烃或环烷烃；表面活性剂一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸钠］。AOS、SDS（十二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等；助表面活性剂一般为中等碳链C5～C8的脂肪酸。W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳米反应器，反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系，若令W＝［H2O／［表面活性剂］，则由微乳法制备的纳米粒子的尺寸将会受到W的影响。利用微胶束反应器制备纳米粒子时，粒子形成一般有三种情况（可见图1、2、3所示）。（l）将2个分别增溶有反应物A、B的微乳液混合，此时由于胶团颗粒间的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，引起核内的化学反应。由于水核半径是固定的，不同水核内的晶核或粒子之间的物质交换不能实现，所以水核内粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸银和氯化钠反应制备氯化钠纳粒。（2）一种反应物在增溶的水核内，另一种以水溶液形式（例如水含肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长，产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。例如，铁，镍，锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。（3）一种反应物在增溶的水核内，另一种为气体（如O2、NH3，CO2），将气体通入液相中，充分混合使两者发生反应而制备纳米颗粒，例如，Matson等用超临界流体一反胶团方法在AOT一丙烷一H2O体系中制备用Al（OH）3胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气方法得到球形均分散的超细Al（OH）3粒子，在实际应用当中，可根据反应特点选用相应的模式。2微乳反应器的形成及结构和普通乳状液相比，尽管在分散类型方面微乳液和普通乳状液有相似之处，即有O/W型和W／O型，其中W／O型可以作为纳米粒子制备的反应器。但是微乳液是一种热力学稳定的体系，它的形成是自发的，不需要外界提供能量。正是由于微乳液的形成技术要求不高，并且液滴粒度可控，实验装置简单且操作容易，所以微乳反应器作为一种新的超细颗粒的制备方法得到更多的研究和应用。2．1微乳液的形成机理Schulman和Prince等提出瞬时负界面张力形成机理。该机理认为：油/水界面张力在表面活性剂存在下将大大降低，一般为l～10mN／m，但这只能形成普通乳状液。要想形成微乳液必须加入助表面活性剂，由于产生混合吸附，油/水界面张力迅速降低达10-3～10-5mN／m，甚至瞬时负界面张力Y＜0。但是负界面张力是不存在的，所以体系将自发扩张界面，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，直至界面张力恢复为零或微小的正值，这种瞬时产生的负界面张力使体系形成了微乳液。若是发生微乳液滴的聚结，那么总的界面面积将会缩小，复又产生瞬时界面张力，从而对抗微乳液滴的聚结。对于多组分来讲，体系的Gibbs公式可表示为：--dγ=∑Гidui=∑ГiRTdlnCi（式中γ为油/水界面张力，Гi为i组分在界面的吸附量，ui为I组分的化学位，Ci为i组分在体相中的浓度）上式表明，如果向体系中加入一种能吸附于界面的组分（Г＞0），一般中等碳链的醇具有这一性质，那么体系中液滴的表面张力进一步下降，甚至出现负界面张力现象，从而得到稳定的微乳液。不过在实际应用中，对一些双链离子型表面活性剂如AOT和非离子表面活性剂则例外，它们在无需加入助表面活性剂的情况下也能形成稳定的微乳体系，这和它们的特殊结构有关。2．2微乳液的结构RObbins，MitChell和Ninham从双亲物聚集体的分子的几何排列角度考虑，提出了界面膜中排列的几何排列理论模型，成功地解释了界面膜的优先弯曲和微乳液的结构问题。目前，有关微乳体系结构和性质的研究方法获得了较大的发展，较早采用的有光散射、双折射、电导法、沉降法、离心沉降和粘度测量法等；较新的有小角中子散射和X射线散射、电子显微镜法。正电子湮灭、静态和动态荧光探针法、NMR、ESR（电子自旅共振）、超声吸附和电子双折射等。3微乳反应器的应用——纳米颗粒材料的制备3．1纳米催化材料的制备利用W／O型微乳体系可以制备多相反应催化剂，Kishida。等报道了用该方法制备Rh／SiO2和Rh/ZrO2载体催化剂的新方法。采用NP－5/环已烷／氯化铑微乳体系，非离子表面活性剂NP－5的浓度为0.5mol/L，氯化铑在溶液中浓度为0．37mol／L，水相体积分数为0．11。25℃时向体系中加入还原剂水含肼并加入稀氨水，然后加入正丁基醇锆的环乙烷溶液，强烈搅拌加热到40℃而生成淡黄色沉淀，离心分离和乙醇洗涤，80℃干燥并在500℃的灼烧3h，450℃下用氧气还原2h，催化剂命名为“ME”。通过性能检测，该催化剂活性远比采用浸渍法制得的高。3．2无机化合物纳粒的制备利用W／O型微乳体系也可以制备无机化合物，卤化银在照像底片乳胶中应用非常重要，尤其是纳米级卤化银粒子。用水一AOT一烷烃微乳体系合成了AgCl和AgBr纳米粒子，AOT浓度为0．15mol／L，第一个微乳体系中硝酸银为0．4mol／L，第二个微乳体系中NaCl或NaBr为0．4mol／L，混合两微乳液并搅拌，反应生成AgCl或AgBr纳米颗粒。又以制备CaCO3为例，微乳体系中含Ca(OH)2，向体系中通入CO2气体，CO2溶入微乳液并扩散，胶束中发生反应生成CaCO3颗粒，产物粒径为80～100nm。3．3聚合物纳粒的制备利用W／O型微乳体系可以制备有机聚丙烯酸胺纳粒。在20mlAOTt——正己烷溶液中加入0．1mlN－N一亚甲基双丙烯酰胺（2mg／rnl）和丙烯酰胺（8mg／ml）的混合物，加入过硫酸铵作为引发剂，在氮气保护下聚合，所得产物单分散性较好。3．4金属单质和合金的制备利用W／O型微乳体系可以制备金属单质和合金，例如在AOT－H2O－n—heptane体系中，一种反相微胶束中含有0．lmol／LNiCl2，另一反相微胶束中含有0.2mol/LNaBH4，混合搅拌，产物经分离、干燥并在300℃惰性气体保护下结晶可得镍纳米颗粒。在某微乳体系中含有0．0564mol/L，FeC12和0．2mol／LNiCl2，另一体系中含有0．513mol/LNaBH4溶液，混合两微乳体系进行反应，产物经庚烷、丙酮洗涤，可以得到Fe－Ni合金微粒（r=30nm）。3．5磁性氧化物颗粒的制备利用W／O型微乳体系可以制备氧化物纳米粒子，例如在AOT－H2O－n－heptane体系中，一种乳液中含有0．15mol／LFeCl2和0．3mol／LFeCl3，另一体系中含有NH4OH，混合两种微乳液充分反应，产物经离心，用庚烷、丙酮洗涤并干燥，可以得到Fe3O4纳粒（r=4nm）。3．6高温超导体的制备利用W／O型微乳体系可以合成超导体，例如在水一CTAB一正丁醇一辛烷微乳体系中，一个含有机钇、钡和铜的硝酸盐的水溶液，三者之比为1：2：3；另一个含有草酸铵溶液作为水相，混合两微乳液，产物经分离，洗涤，干燥并在820℃灼烧2h，可以得到Y－Ba－Cu—O超导体，该超导体的Tc为93K。另外在阴离子表面活性剂IgegalCO－430微乳体系中，混合Bi、Pb、Sr、Ca和Cu的盐及草酸盐溶液，最终可以制得Bi－Pb－Sr－Ca－Cu—O超导体，经DC磁化率测定，可知超导转化温度为Tc＝112K，和其它方法制备的超导体相比，它们显示了更为优越的性能。目前对纳米颗粒材料的研究方法比较多，较直接的方法有电镜观测（SEM、TEM、STEM、STM等）；间接的方法有电子、X一射线衍射法（XRD），中子衍射，光谱方法有EXAFS，NEXAFS，SEX－AFS，ESR，NMR，红外光谱，拉曼光谱，紫外一可见分光光度法（UV－VIS），荧光光谱及正电子湮没，动态激光光散射（DLS）等。4结语微乳反应器作为一种新的制备纳米材料的方法，具有实验装置简单，操作方便，应用领域广，并且有可能控制微粒的粒度等优点。目前该方法逐渐引起人们的重视和极大兴趣，有关微乳体系的研究日益增多，但研究还是初步的，如微乳反应器内的反应原理、反应动力学、热力学及化学工程问题都有待解决。但是我们相信，微乳化技术作为一种新的制备纳米材料的技术，必将成为该领域不可替代的一部分。